改進共振實驗演示儀,理解外力作用下的振動

王 震 孫奕瑩

(遼寧師范大學物理與電子技術學院,遼寧 大連 116029)

改進共振實驗演示儀,理解外力作用下的振動

王 震 孫奕瑩

(遼寧師范大學物理與電子技術學院,遼寧 大連 116029)

本文對人教版高中物理內容“外力作用下的振動”中的演示實驗裝置進行了分析,并改進和制作了共振實驗演示儀,使得學生能更加直觀地感受受迫振動頻率與驅動力頻率和固有頻率的關系,加深對共振實驗的理解．

共振實驗演示儀;受迫振動;頻率;共振

人教版高中物理選修3-4中“外力作用下的振動”介紹了受迫振動、共振的相關知識．教材內容提供了與振動相關的兩個演示實驗裝置,幫助學生理解物理概念,但是這兩個實驗裝置在進行操作和實驗結論得出的過程中存在一些不足之處．筆者對原有裝置進行了改進,制作了“共振實驗演示儀”,使之更具有可操作性,有利于學生得出實驗結論．

圖1 受迫振動演示裝置

1 教材中的實驗裝置

(1) “探究受迫振動頻率與驅動力頻率和固有頻率的關系”演示裝置.

人教版教材中提供了用來探究受迫振動頻率與驅動力頻率和固有頻率關系的實驗裝置(圖1)．該裝置通過轉速可變的電動機向彈簧——小球系統施加周期性驅動力,改變電動機轉速,使小球在不同頻率的驅動力下做受迫振動．實驗要求記錄驅動力頻率和小球振動的頻率,比較得出物體做受迫振動時的頻率與驅動力頻率相等的結論．

該實驗儀器存在幾點不足:電動機的頻率未知,測量困難,實驗中無法記錄;實驗開始時,啟動電動機,小球做受迫振動,但振動不穩定,頻率不斷改變,只有當小球發生共振時,振動才比較穩定;改變電動機轉速,小球振動的頻率很難在短時間內同步,測量誤差較大,且比較費時．

(2) “探究受迫振動的振幅與固有頻率的關系和共振實驗”演示裝置.

教材中提供了用來探究受迫振動的振幅與固有頻率關系的實驗裝置和共振實驗演示裝置(圖2)．給A擺一個力使A擺振動,同時該力通過繩子也為其他擺提供了驅動力,擺做受迫振動．學生會觀察到與A擺擺長相同的B擺和C擺由于固有頻率與A擺相同,發生共振,振幅最大,其他擺振幅較小．

圖2 共振實驗演示裝置

該演示實驗裝置同樣存在幾點不足: ① 當驅動擺A開始振動時,與A臨近的兩個從動擺D、E振動最為明顯,振幅明顯大于距離A擺較遠的、與A擺擺長相同的B擺和C擺的振幅．當B擺和C擺的振幅逐漸增大時,又發現A擺的振幅卻逐漸減小,一段時間后A擺的振幅逐漸增大,而B擺和C擺的振幅逐漸減小,直至停止振動．因此在教學演示中釋放A擺較長時間才可以看到B擺、C擺的振幅最大,E擺振幅最小的現象,隨后各個擺的狀態又要發生變化,學生對實驗現象的理解愈加困難．尤其當A擺剛開始擺動時,學生較難理解D擺和E擺出現振幅最大的現象.② 橫梁繩子的松緊程度對實驗有一定的影響,影響驅動擺提供能量的傳遞速度．張緊繩子,能量在繩中傳遞較慢,需要較長時間才能看到實驗現象．若將繩子適當放松,能量在繩中傳遞的速度較張緊時快,會縮短實驗時間,實驗中調節繩子的松緊程度就顯得尤為重要.③ 該裝置實際上屬于一種耦合擺裝置而非共振裝置,耦合擺與共振裝置有本質的區別．共振裝置的驅動源能量和傳給受迫振動部分的能量相比足夠大,即驅動源可視為能量庫．耦合擺則不同,耦合擺的驅動擺能量有限,當滿足理想耦合條件時,驅動擺的能量可以全部傳給受迫振動部分,能量在驅動擺與受迫振動部分之間來回傳遞,造成各個擺在振動時互相干擾,影響實驗現象的觀察效果．2 實驗裝置的設計與制作

針對教材中實驗裝置存在的不足,我們對實驗儀器進行了改進,制作了共振實驗演示儀(圖3)．主要組成部分有橫梁、驅動擺、從動擺、支架,尺寸單位為mm．

(1) 裝置結構機械圖.

(2) 需要的材料.

實心銅球1個(直徑0.05m)、質量和形狀相同的空心銅球5個(直徑0.02m)、實心不銹鋼條1根(直徑0.01m,長度1m)、廢舊收音機天線1根、滾動軸承2個(內徑0.01m)、帶槽鋁合金條5根、直角連接件4個、輕質細線若干米、螺絲若干個．

圖3 共振實驗演示結構機械圖

(3) 裝置結構介紹.

橫梁:材料選用直徑0.01m,長度1m的實心不銹鋼條,用來懸掛各個從動擺,不銹鋼條兩端穿過固定在豎直支架上的滾動軸承(內徑等于鋼條直徑)．

驅動擺:驅動擺的擺球(直徑0.05m)選擇質量比較大的實心銅球,與可伸縮的廢舊收音機天線頂端焊接固定組成驅動擺,利用伸縮天線可以改變驅動擺擺長;橫梁上做出與收音機天線尾端螺絲尺寸相符的內螺紋,將驅動擺與橫梁連接并固定,驅動擺可以對橫梁產生較大的扭轉力矩．

支架:底部采用3根帶槽鋁合金條,用直角連接件固定成“工”字底座,保證了裝置的穩定性,又可輕松拆卸,攜帶方便．

3 原理分析

圖4

4 共振實驗演示儀在教學中的演示

(1) 探究做受迫振動的物體振動的頻率與驅動力頻率和固有頻率的關系.

調整驅動擺擺長,拉開一定角度后釋放,驅動擺帶動橫梁來回轉動為從動擺提供驅動力,各從動擺在驅動力的作用下做受迫振動,觀察從動擺的振動情況,可觀察到驅動擺與各從動擺振動的頻率相同．

再改變驅動擺的擺長,即改變了驅動力的頻率,觀察到各從動擺與驅動擺擺動的頻率依然相同,可得出結論,即f受迫=f驅，與f固無關.

(2) 演示共振現象.

拉伸或收縮天線,改變驅動擺擺長,使之不等于任意一個從動擺的擺長,拉開驅動擺一定角度釋放．發現擺長最接近驅動擺的兩個從動擺振幅大于其他從動擺振幅,其中擺長更接近驅動擺的從動擺振幅略大于另一個,可說明當f驅≠f固時,二者越接近,做受迫振動物體的振幅越大;當驅動擺擺長等于某一個從動擺擺長時(即f驅=f固),將驅動擺拉開一定角度釋放．發現與驅動擺擺長相等的從動擺振幅最大,明顯大于其他從動擺振幅,說明當f固=f驅時物體的振幅最大,此時發生的就是共振現象．

5 實驗裝置的主要優點

(1) 采用收音機天線作為驅動擺的擺線.

收音機天線質量輕,又可收縮,方便改變擺長從而改變驅動力的頻率．

(2) 驅動擺擺球質量大于各從動擺擺球質量.

驅動擺擺球質量大于各從動擺擺球質量,即驅動源能量大于傳給受迫振動部分的能量,克服了教材中耦合擺裝置能量傳遞的問題．利用鋼橫梁代替繩子橫梁,基本上消除了幾個擺之間互相耦合而產生的從動擺振幅先變大后變小的影響,能量幾乎不會在幾個擺之間來回傳遞,共振擺的振幅在一開始就會明顯大于其他從動擺的振幅,實驗現象明顯．

(3) 裝置的多種用途.

改進后的實驗裝置能同時演示多個物理現象,充分調動學生學習的積極性,有利于教師開展探究性教學．

共振實驗演示儀可以較好地完成“外力作用下的振動”這一節課所需要的演示實驗,實驗現象明顯,演示效果清晰明了,把抽象的物理概念生動形象地展示在學生面前,更有效地加深了學生對物理知識的學習與理解,同時實驗儀器制作簡單,美觀、耐用,且易拆卸．

1 朱行建,郭懷中.共振演示實驗的紕繆與裝置的改進[J]. 物理實驗, 2007, 27(7):24-26.

2 單曉峰.關于受迫振動、共振的實驗研究[J]. 物理實驗, 2006, 26(8):24-26.

3 吳蘭紅.“外力作用下的振動”教學設計與思考[J]. 中學物理教學參考, 2009(12):7-8.

4 曾憲桂.充分挖掘實驗素材 實現探究教學目標——以“外力作用下的振動”難點突破的探究為例[J]. 中學物理教學參考, 2015(7):29-30.

5 華玉梅，李林.受迫振動與共振實驗演示裝置的創新設計[J].物理教師，2012(12)：41-42.

6 邢紅軍，陳清梅.一個妙趣橫生的共振演示實驗設計[J].物理教師，2001(11)：25.

2016-10-12)