利用教學(xué)變頻電源創(chuàng)設(shè)共振駐波探究實(shí)驗(yàn)

王 輝 房慶安

(江蘇省蘇州第十中學(xué)校,江蘇 蘇州 215006)

1 共振探究實(shí)驗(yàn)

圖1

共振現(xiàn)象是物理力學(xué)中的一個(gè)重要內(nèi)容．它說(shuō)的是,當(dāng)驅(qū)動(dòng)力的頻率等于物體(或系統(tǒng))的固有頻率時(shí),物體(或系統(tǒng))就能獲得最大的振幅．傳統(tǒng)的共振演示實(shí)驗(yàn)是在一條繃緊的繩上拴幾個(gè)擺長(zhǎng)不同的小球,讓其中的一個(gè)小球先擺動(dòng),從而驅(qū)動(dòng)其他小球擺動(dòng)．學(xué)生可以觀(guān)察到:與最初擺動(dòng)小球的擺長(zhǎng)等長(zhǎng)的小球振幅最大．但該裝置的可見(jiàn)度小,且持續(xù)時(shí)間短,學(xué)生的印象不夠深刻．為此,很多物理教師創(chuàng)設(shè)了很多形式豐富多樣的演示實(shí)驗(yàn)裝置,但終究只停留在教師演示的程度,不能做大范圍的學(xué)生分組實(shí)驗(yàn),學(xué)生只能是一個(gè)觀(guān)察者,而不能成為一個(gè)參與者.這對(duì)理解共振條件是有很大影響的．根據(jù)這種情況,筆者和學(xué)校實(shí)驗(yàn)室教師一起設(shè)計(jì)了如圖1的學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)裝置．該實(shí)驗(yàn)裝置需要一個(gè)教學(xué)變頻電源、振動(dòng)臺(tái)、學(xué)生自制振動(dòng)彈片．

圖2

振動(dòng)臺(tái)利用動(dòng)圈式揚(yáng)聲器發(fā)聲時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)的原理制作而成,其制作方法如下.

(1) 制作一個(gè)圓環(huán)和杯狀圓柱體,一端是空心,另一端的中心打一個(gè)小孔,直徑5 mm,再用M6絲攻,攻一個(gè)6 mm的螺絲孔,如圖2．

(2) 將圓環(huán)和圓柱體(空心一頭,對(duì)準(zhǔn)中心)用膠水粘在一體,如圖3．

(3) 把揚(yáng)聲器的防塵罩用小刀去除,再將圖2放在揚(yáng)聲器的中心,用膠水粘住,如圖4．

圖3

圖4

(4) 再將圖4用螺絲固定在合適塑料盒子里,這樣一個(gè)振動(dòng)臺(tái)就做成了,使用時(shí)只要將需要的器材固定在螺絲孔內(nèi)．

學(xué)生自制振動(dòng)彈片:筆者在課前將0.18 mm厚的磷銅片裁剪成2 cm寬的條狀,指導(dǎo)學(xué)生自行剪切長(zhǎng)度,打孔安裝固定．如圖5．

圖5

通過(guò)連續(xù)調(diào)節(jié)變頻電源的輸出頻率,可觀(guān)察到不同長(zhǎng)度彈片的振動(dòng)情況,記錄下不同長(zhǎng)度的振動(dòng)彈片對(duì)應(yīng)的共振頻率,匯總?cè)绫?所示.利用Excel的圖表功能,得到圖6規(guī)律.當(dāng)把彈片長(zhǎng)度取倒數(shù)后,得到表2.利用Excel,得到圖7規(guī)律,所有點(diǎn)近似分布在一條直線(xiàn)上.

表1

圖6

表2

圖7

該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明:

(1) 由于單純是數(shù)據(jù)匯總分析,其內(nèi)在影響因素較復(fù)雜,因此無(wú)需學(xué)生解釋數(shù)據(jù)的直線(xiàn)分布原因;

(2) 該圖線(xiàn)是由若干次有限實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得,只能很粗略表示其二者間關(guān)系;

(3) 指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)該直線(xiàn)規(guī)律推知彈片在其它長(zhǎng)度條件下對(duì)應(yīng)的共振頻率,并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證．

該實(shí)驗(yàn)裝置的特點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、效果明顯．學(xué)生通過(guò)操作就能明白什么是共振現(xiàn)象和共振條件;培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,提出問(wèn)題,解決問(wèn)題的探究能力;培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用Excel處理數(shù)據(jù)的能力;培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用所得結(jié)論合理外推,理論聯(lián)系實(shí)際的意識(shí);同時(shí)因?yàn)閷W(xué)生可以自己動(dòng)手,提高了學(xué)習(xí)興趣,活躍了課堂氣氛．非常適合開(kāi)設(shè)相應(yīng)的校本選修課程供學(xué)生活動(dòng)．

2 駐波探究實(shí)驗(yàn)

圖8

在上述實(shí)驗(yàn)中如果持續(xù)提高電源的輸出頻率和輸出電壓,將會(huì)出現(xiàn)一維駐波現(xiàn)象,如圖8所示．

一維駐波的成因是兩列同頻率的波在沿傳播方向上同一直線(xiàn)疊加．在波形上,波節(jié)和波腹的位置始終是不變的,給人“駐立不動(dòng)”的印象,但它的瞬時(shí)值是隨時(shí)間而改變的．

根據(jù)不同長(zhǎng)度的振動(dòng)彈片對(duì)應(yīng)的駐波頻率,匯總?cè)绫?所示.利用Excel,得到圖9規(guī)律,所有點(diǎn)近似分布在一條直線(xiàn)上.

表3

圖9

3 后期改進(jìn)

目前僅只是改變彈片的長(zhǎng)度,來(lái)研究共振頻率和駐波頻率．后期可選擇改變彈片材料,彈片寬度或厚度．