自制共振實(shí)驗(yàn)演示儀

陳劍峰

摘? ?要：共振現(xiàn)象是高中物理教學(xué)的難點(diǎn)之一。文章利用光電門傳感器測(cè)量直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)頻率與彩球振子的固有頻率，不斷改變驅(qū)動(dòng)頻率，產(chǎn)生共振現(xiàn)象，研究共振時(shí)驅(qū)動(dòng)頻率與固有頻率的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：共振現(xiàn)象;光電門傳感器;驅(qū)動(dòng)頻率;固有頻率;共振條件

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2021）10-0053-2

共振現(xiàn)象是高中物理教學(xué)的難點(diǎn)，教材中的共振擺球和手搖式共振儀實(shí)驗(yàn)只能演示共振現(xiàn)象[1]，不能定量顯示振子的固有頻率，無(wú)法實(shí)時(shí)顯示驅(qū)動(dòng)頻率，強(qiáng)行給出當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率等于固有頻率時(shí)發(fā)生共振，學(xué)生對(duì)該結(jié)論非常困惑，只能強(qiáng)行記憶，效果差。

1? ? 設(shè)計(jì)思路

采用可調(diào)速的直線電機(jī)更穩(wěn)定地驅(qū)動(dòng)，通過(guò)光電門測(cè)量驅(qū)動(dòng)頻率;用帶桿的彩球制作振子，固有頻率可通過(guò)光電門測(cè)量;通過(guò)控制固定連桿位置（球桿的長(zhǎng)度）來(lái)改變振子的固有頻率多次實(shí)驗(yàn)。

2? ? 制作過(guò)程

2.1? ? 制作材料

有機(jī)玻璃板、抽屜導(dǎo)軌、鉆夾（0.3～2.5 mm）、彈性圓鋼條、直線電機(jī)、可調(diào)壓電源、彩球、小硅膠塞、光電門傳感器4個(gè)（含轉(zhuǎn)接頭）、采集器、計(jì)算機(jī)等。

2.2? ? 制作說(shuō)明

2.2.1? ? 測(cè)驅(qū)動(dòng)頻率結(jié)構(gòu)

上下板設(shè)計(jì)如圖1、圖2所示。

上板安裝擋光片，利用固定在下板的光電門傳感器測(cè)量驅(qū)動(dòng)頻率（周期）。

2.2.2? ? 振子的制作

將3個(gè)輕質(zhì)彩球沿直徑打穿，兩端各壓入軟膠塞，把長(zhǎng)度為50 cm、直徑為1.8 mm的彈性圓鋼條插入軟膠塞，做成3個(gè)帶桿小球作為振子，彈性圓鋼條穿過(guò)鉆夾孔，鎖緊固定，可任意調(diào)節(jié)桿的長(zhǎng)度多次實(shí)驗(yàn)（裝置置于無(wú)蓋木箱上）。

2.2.3? ? 測(cè)固有頻率結(jié)構(gòu)

將3個(gè)光電門傳感器并排組合，固定在L形支架上，使彈性圓鋼條剛好處于光電門的正中間（剛好在擋光孔處），分別撥動(dòng)振子，可測(cè)量每個(gè)振子的固有頻率。

2.2.4? ? 專用軟件設(shè)計(jì)

1通道實(shí)時(shí)采集驅(qū)動(dòng)周期，2、3和4通道分別采集三個(gè)振子的固有周期，根據(jù)f=1/T，實(shí)時(shí)顯示驅(qū)動(dòng)頻率值和三個(gè)振子的固有頻率值。為了方便觀察，頻率顯示數(shù)字盡量設(shè)計(jì)大點(diǎn)，2、3和4通道數(shù)據(jù)穩(wěn)定時(shí)可將固有頻率數(shù)值鎖定。

2.3? ? 裝置實(shí)物圖（圖3）

3? ? 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

3.1? ? 實(shí)驗(yàn)方案

3.2? ? 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）組裝好儀器，打開(kāi)軟件，點(diǎn)擊“連接設(shè)備”;

（6）可不斷減小驅(qū)動(dòng)頻率或改變振子的固有頻率（改變桿的有效長(zhǎng)度）重復(fù)實(shí)驗(yàn);

（7）分析得出結(jié)論。

3.3? ? 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示，不同驅(qū)動(dòng)頻率對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖4、圖5、圖6所示。

3.4? ? 結(jié)? 論

物體受迫振動(dòng)時(shí)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率與物體固有頻率相等時(shí)，受迫振動(dòng)的振幅達(dá)到最大，即共振。驅(qū)動(dòng)頻率與物體固有頻率相差越多，受迫振動(dòng)的振幅越小[2]。

4? ? 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，提供穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)頻率，即能演示明顯的共振現(xiàn)象，三球?qū)Ρ瓤梢援a(chǎn)生很強(qiáng)烈的視覺(jué)沖擊。通過(guò)光電門傳感器測(cè)量固有頻率和驅(qū)動(dòng)頻率，演示共振時(shí)驅(qū)動(dòng)頻率與固有頻率的定量關(guān)系。通過(guò)調(diào)壓來(lái)改變驅(qū)動(dòng)頻率，同時(shí)觀察振子振幅的變化情況，得到“共振曲線”的變化趨勢(shì)。還可以通過(guò)調(diào)節(jié)桿的長(zhǎng)度改變固有頻率，多次驗(yàn)證共振的條件，有效地突破教學(xué)重難點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]廖伯琴.普通高中教科書(shū)物理選擇性必修第一冊(cè)[M].濟(jì)南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，2019：51-52.

[2]肖麗英.高中物理機(jī)械振動(dòng)和機(jī)械波相關(guān)概念教學(xué)的研究[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2009.

（欄目編輯? ? 劉? ?榮）

2050501705294