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      受迫振動和共振現(xiàn)象實驗的改進與創(chuàng)新

      2021-01-06 08:56:24陳燁鑫
      物理通報 2021年1期
      關鍵詞:受迫振動驅動力共振

      陳燁鑫

      (江蘇省啟東中學 江蘇 南通 226200)

      1 教材中的實驗分析

      “外力作用下的振動”是人教版《物理·選修3-4》中第十一章第5節(jié)內容.教材中研究受迫振動的頻率和觀察共振現(xiàn)象的裝置分別如圖1和2所示.在做演示實驗的過程中我們發(fā)現(xiàn)存在一些問題.

      圖1 研究受迫振動的頻率

      (1)圖1的裝置中振子除上下振動外,還會發(fā)生前后左右擺動.

      (2)圖2的裝置實驗現(xiàn)象不穩(wěn)定,實驗效果不好,而且只能演示B球的共振,難以和書中的共振曲線(圖3)結合起來理解.

      圖2 觀察振幅的差別

      圖3 共振曲線

      其實圖2的實驗裝置只能說是一個耦合擺,讓能量在小球之間來回傳遞,因而并不能很好地演示共振現(xiàn)象.

      2 實驗改革

      針對以上實驗出現(xiàn)的問題,對受迫振動和共振現(xiàn)象實驗裝置進行了改進.改進過程如下.

      筆者找了一個玩具小汽車上拆解下來的小電動機,在它的轉軸上焊接了一個小鐵塊做成了一個電動偏心輪,再將他們用透明膠帶綁在鋼鋸條上.將泡沫海綿剪成薄片狀,用502膠水將它粘在鋼鋸條的一端作為遮光條,如圖4所示.

      圖4 自制共振演示裝置

      接下來將學生電源、電動機、滑動變阻器和開關連接起來,如圖5所示,電源電壓選擇直流6 V.如圖6所示,將數(shù)字計時器與1個光電門連接作為測量電路,光電門用鐵架臺的夾子固定位置.調節(jié)夾子的高度,使遮光條處在光電門的擋光位置.全套實驗裝置如圖7所示.

      圖5 共振演示裝置電路實物圖

      圖6 用夾子固定光電門與數(shù)字計時器相連作為測量電路

      圖7 受迫振動和共振現(xiàn)象演示儀

      這樣制作受迫振動和共振現(xiàn)象演示儀的過程也是朱正元教授“壇壇罐罐當儀器,拼拼湊湊做實驗”理念的實踐.

      3 實驗優(yōu)點

      研究改進后的實驗可以發(fā)現(xiàn):

      (1)采用調速電機帶動偏心輪轉動,驅動更平穩(wěn),周期性強,且驅動頻率可調.

      (2)可以定性研究受迫振動的振幅與驅動力頻率的關系.

      調節(jié)滑動變阻器,即改變了驅動頻率的大?。S著驅動頻率的增大,鋼鋸條的振幅也變大;某一驅動頻率f0下鋼鋸條振幅最大;把驅動力頻率再增加,鋼鋸條的振幅又突然減?。畡t對應于驅動頻率f0,鋼鋸條發(fā)生了共振現(xiàn)象.實驗現(xiàn)象明顯,而且和書中共振曲線對應性強.

      (3)可以定量研究受迫振動的頻率與驅動力頻率的關系、共振時的頻率與固有頻率的關系.

      將泡沫海綿剪成薄片制作成遮光條,與數(shù)字計時器配合,可以測鋸條的振動周期.通過對振動過程中某一狀態(tài)下周期的測量,可清晰顯示:

      1)不管系統(tǒng)的固有頻率如何,它做受迫振動的頻率總等于驅動力的頻率.

      2)驅動力的頻率等于系統(tǒng)的固有頻率時,受迫振動的振幅最大.

      (4)削弱實驗中的駐波現(xiàn)象的影響.

      調整鋸條的長度,優(yōu)選鋸條和鐵架臺夾子接觸處的材料,削弱駐波現(xiàn)象對實驗的干擾.

      4 結束語

      在教師所從事的教學活動中,對物理實驗的改進與創(chuàng)新,是教師秉承新課程標準的理念,由課程的復制者走向課程的創(chuàng)造者的有效嘗試.有利于培養(yǎng)學生的觀察思維能力,發(fā)展學生的創(chuàng)新精神和實踐能力,促使學生養(yǎng)成求真求實、客觀嚴謹、批判質疑、探索創(chuàng)新的科學態(tài)度和科學精神,從而幫助學生更好地構建物理概念和物理規(guī)律.

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