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      自制受迫振動(dòng)演示儀

      2018-12-20 06:29:10董芳芳王勁存
      中學(xué)物理·高中 2018年11期
      關(guān)鍵詞:受迫振動(dòng)共振

      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.

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