自制受迫振動(dòng)演示儀

董芳芳　王勁存

摘要：外力作用下的振動(dòng)是高中物理課程的重點(diǎn)內(nèi)容，主要包括受迫振動(dòng)、固有頻率、驅(qū)動(dòng)力、共振等概念自制的受迫振動(dòng)及共振現(xiàn)象演示儀，原理簡(jiǎn)單，制作方便，能演示受迫振動(dòng)和共振現(xiàn)象，演示效果明顯，取得了較好的課堂教學(xué)效果，有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.

關(guān)鍵詞：受迫振動(dòng)；共振；演示儀

基金項(xiàng)目：江蘇省教育科學(xué)十三五規(guī)劃課題“指向高中生物理核心素養(yǎng)提升的‘讓學(xué)引思教學(xué)模式的構(gòu)建與實(shí)踐”，課題編號(hào)：C-c/2016/02/54.

作者簡(jiǎn)介：董芳芳（1987-），女，碩士，中學(xué)一級(jí)教師，研究方向：高中物理學(xué)科教學(xué).

物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，注重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力，在課堂教學(xué)中教師經(jīng)常會(huì)利用一些操作簡(jiǎn)單、現(xiàn)象明顯、直觀且生動(dòng)有趣的演示實(shí)驗(yàn)來輔助教學(xué)，不僅能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且能夠活躍課堂氛圍《外力作用下的振動(dòng)》是現(xiàn)行人教版普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書《物理》選修3-4第十一章機(jī)械振動(dòng)第5節(jié)的內(nèi)容教材首先介紹了物體振動(dòng)的固有頻率的概念，再從能量的角度分析了阻尼振動(dòng)，進(jìn)而通過實(shí)驗(yàn)探究受迫振動(dòng)的頻率與驅(qū)動(dòng)力頻率的關(guān)系，最后利用實(shí)驗(yàn)探究受迫振動(dòng)的振幅與驅(qū)動(dòng)力頻率的關(guān)系，進(jìn)而認(rèn)識(shí)共振現(xiàn)象

本節(jié)課的主要任務(wù)是通過實(shí)驗(yàn)掌握物體在做受迫振動(dòng)時(shí)其頻率跟驅(qū)動(dòng)力頻率的關(guān)系，以及驅(qū)動(dòng)力的頻率與物體固有頻率接近時(shí)振動(dòng)的特點(diǎn)為了使受迫振動(dòng)以及共振現(xiàn)象這一演示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更突出，筆者自制了受迫振動(dòng)及共振現(xiàn)象演示儀，儀器制作簡(jiǎn)便，演示現(xiàn)象明顯，取得了較好的演示效果.

1演示器結(jié)構(gòu)及材料

自制的受迫振動(dòng)及共振現(xiàn)象演示儀，由三組材質(zhì)相同但長度不同的具有一定彈性且頂端分別連接一塑料小球的細(xì)桿與一金屬片焊接而成，如圖1所示，每組細(xì)桿長度相同，但三組細(xì)桿之間長度不同，長桿固有頻率低，短桿固有頻率高，長度相同的桿固有頻率相同所需材料如下：相同規(guī)格彈性細(xì)鋼絲6根（長度可根據(jù)需要選擇）、相同塑料小球6個(gè)、金屬片1個(gè)、金屬底座1個(gè).

2制作過程

如圖2所示，在底座上表面鉆6個(gè)小孔，每根鋼絲上端分別套上1個(gè)塑料小球，下端從小孔中間穿過，并與底座內(nèi)部的一金屬片焊接在一起，并在各桿下方底座上依次標(biāo)識(shí)A、B、C字樣注意金屬片不能與底座固定，金屬片要能夠自由振動(dòng).

3工作原理

受迫振動(dòng)及共振現(xiàn)象演示儀中6根鋼絲均和底座內(nèi)部的金屬片相連，因此當(dāng)其中一根鋼絲在外力作用下振動(dòng)時(shí)，鋼絲會(huì)帶動(dòng)金屬片振動(dòng)，振動(dòng)的金屬片給其余五根桿提供一個(gè)周期性驅(qū)動(dòng)力，迫使它們做受迫振動(dòng)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力的頻率與其中某組細(xì)桿固有頻率相近或相同時(shí)，將發(fā)生共振現(xiàn)象.

4使用方法

41測(cè)定各細(xì)桿振動(dòng)的固有頻率

分別插入各桿并撥動(dòng)其上端的塑料小球，測(cè)定各桿振動(dòng)的固有頻率，并分別記為fA、fB以及fC.

42演示受迫振動(dòng)

將6根細(xì)桿均插入底座孔中，用手任意驅(qū)動(dòng)其中一根細(xì)桿使其振動(dòng)，可以觀察到所有桿都將振動(dòng)起來，且與手的振動(dòng)頻率相同，說明受迫振動(dòng)的頻率等于驅(qū)動(dòng)力的頻率，而與細(xì)桿的固有頻率無關(guān)，符合受迫振動(dòng)的規(guī)律改變手的振動(dòng)頻率，其余各細(xì)桿受迫振動(dòng)的頻率均隨之發(fā)生改變且均與手保持相同.

43演示共振現(xiàn)象

用手驅(qū)動(dòng)其中任意一根桿緩慢振動(dòng)，并逐漸增大振動(dòng)的頻率，可以觀察到從長到短的細(xì)桿，先后依次發(fā)生抖動(dòng)最厲害的現(xiàn)象，即當(dāng)驅(qū)動(dòng)力頻率與物體振動(dòng)固有頻率相同時(shí)，出現(xiàn)共振現(xiàn)象，而此時(shí)與之固有頻率不同的細(xì)桿未發(fā)生共振現(xiàn)象.隨著驅(qū)動(dòng)力的頻率逐漸加大，細(xì)桿由長到短依次產(chǎn)生共振這一現(xiàn)象也說明了相同材質(zhì)、相同規(guī)格的細(xì)桿的固有頻率與桿的長度有關(guān)，長度越長，固有頻率越小.

5小結(jié)

傳統(tǒng)教具，如圖3所示，驅(qū)動(dòng)力的頻率是固定的，而且存在耦合擺現(xiàn)象，在此基礎(chǔ)上，筆者對(duì)教具進(jìn)行了適當(dāng)改進(jìn)，不僅可以用手持續(xù)驅(qū)動(dòng)細(xì)桿振動(dòng)，而且可以改變手的振動(dòng)頻率，使得驅(qū)動(dòng)力頻率可以發(fā)生連續(xù)變化，可以有效地演示受迫振動(dòng)規(guī)律以及共振現(xiàn)象，在課堂教學(xué)中取得了較好的效果.中學(xué)生有強(qiáng)烈的好奇心和求知欲，對(duì)親身參與親身感受的活動(dòng)非常感興趣，這些新奇的事物能極大地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高了課堂效率，同時(shí)自制教具的過程也能夠加深對(duì)知識(shí)的理解這一過程中，教師力求帶領(lǐng)學(xué)生充分挖掘生活中的物理，從生活走向物理，從物理走向生活，并在這一過程中掌握物理核心概念，提高推理、分析和實(shí)驗(yàn)探究的能力，提高物理學(xué)科的核心素養(yǎng).

參考文獻(xiàn)：

[1]柴學(xué)群.受迫振動(dòng)定量演示裝置[J].中學(xué)物理，2009（12）：26-27.