有關機械振動的幾個演示實驗

白寶成

(通遼職業學院 內蒙古 通遼 028000)

通過歷年講授機械振動的實驗教學，筆者感受到親自動手設計制作一些小實驗，對學生理解和掌握概念大有益處.機械振動是力學中運動形式比較復雜的一種運動，在運動過程中速度大小和方向都發生變化，是一種變速運動，其原因是力的大小和方向在運動中發生變化，從而引起運動狀態的改變.與運動相關的一系列物理量,如位移、速度、力、加速度、能量、時間等，在運動過程中如何正確判斷其變化情況，取決于學生對機械振動知識理解和掌握的程度.

筆者在講授機械振動現象及定義時，利用乒乓球做了三個演示實驗用來描述“物體(或物體某一部分)在平衡位置附近做往復運動”這一現象.

實驗一：將一個乒乓球用橡皮筋穿過,固定橡皮筋兩端，如圖1所示.將乒乓球向下(或向上)拉離一小段距離后放手，觀察乒乓球的運動.同時對照裝置指出“平衡位置”、“兩側附近”、“往復運動”等關鍵處，依據定義可知乒乓球做機械振動.

圖1

實驗二：移近兩支架，使橡皮筋掛著的乒乓球構成雙線擺，如圖2所示.將乒乓球拉離平衡位置，然后放手，乒乓球來回擺動.經過分析可知乒乓球的運動路徑雖然變了,但運動形式沒變，仍然做機械振動.

圖2

實驗三：取下乒乓球，讓它距桌面某一高度自由下落，在桌面上反復跳動數次.乒乓球在桌面上的運動是不是機械振動？通過分析對比，找出幾次運動的異同點.學生討論激烈，各持己見.按定義，其運動過程不符合機械振動條件，只是一種跳動(還可以接著演示用手在桌面間拍乒乓球.)

經過觀察、思考、分析，加深了學生對“平衡位置附近往復運動”的理解.接著演示單擺的振動、豎直懸掛在彈簧下端的物體的振動、夾緊的鋼鋸條一端的振動等，使學生形成對機械振動現象的初步認識.

在講授產生振動條件時，通過演示懸掛在豎直彈簧下的物體的振動，分析運動過程中物體的受力情況.物體受彈簧的彈力和重力.當物體向下離開平衡位置后，彈力大于重力，合力使物體回到平衡位置，此時的合力根據效果命名為回復力，使學生理解回復力的意義.在此基礎上，演示用鐵絲繞制成螺旋形狀(其長短、大小跟前面演示的彈簧相同)，掛上重物后，緩慢拉離平衡位置，松手后會發生什么現象？根據前面的經驗，部分學生憑直覺認為會振動.放手后物體不動，學生驚訝.經過分析，鐵絲繞成的彈簧雖外形相似，但拉伸后不能恢復原狀，無彈性，物體受到的拉力等于重力，合力為零(即回復力為零)，所以物體不會振動.通過對比實驗，學生掌握了物體做

機械振動必須有使物體回到平衡位置的回復力作用；這是第一個必要條件.緊接著用兩個相同單擺演示分析產生振動的第二個必要條件是阻力足夠小.先使一單擺在空氣中振動，往返多次，而另一單擺放在玻璃缸中攪拌好的稀面糊里運動.選用稀面糊是利用它的粘滯性增加振動中的阻力.稀面糊比教材中用油做實驗取材經濟.為保證實驗效果還可以適當調和其稀稠程度，使面糊中的小球緩慢回到平衡位置停止.通過兩個單擺運動的對比，學生理解了阻力足夠小的物理意義.

圖3

為了使學生對振動過程中的各個物理量有清楚的認識，尤其對各物理量方向的判定，演示懸掛在豎直彈簧下物體的振動時，在裝置后面加一塊白色鐵板，如圖3所示；標出平衡位置O，上下兩個振動最大位置A和B.將各物理量用不同顏色制成長8 cm，寬2.5 cm，帶有箭頭的磁性標牌，分別表示位移、速度、回復力、加速度及加速過程、減速過程等.在講解中可以根據需要，同時將各量方向表示在鐵板上.直觀方便地表示出在振動過程中各物理量的方向關系.也可以指定某一振動過程，例如由B→O運動過程，請學生在鐵板上對應的擺出各物理量的方向。還可以任選過程，為學習簡諧運動等知識打下了良好的基礎.