利用教學變頻電源創設共振駐波探究實驗

王 輝 房慶安

(江蘇省蘇州第十中學校,江蘇 蘇州 215006)

1 共振探究實驗

圖1

共振現象是物理力學中的一個重要內容．它說的是,當驅動力的頻率等于物體(或系統)的固有頻率時,物體(或系統)就能獲得最大的振幅．傳統的共振演示實驗是在一條繃緊的繩上拴幾個擺長不同的小球,讓其中的一個小球先擺動,從而驅動其他小球擺動．學生可以觀察到:與最初擺動小球的擺長等長的小球振幅最大．但該裝置的可見度小,且持續時間短,學生的印象不夠深刻．為此,很多物理教師創設了很多形式豐富多樣的演示實驗裝置,但終究只停留在教師演示的程度,不能做大范圍的學生分組實驗,學生只能是一個觀察者,而不能成為一個參與者.這對理解共振條件是有很大影響的．根據這種情況,筆者和學校實驗室教師一起設計了如圖1的學生分組實驗裝置．該實驗裝置需要一個教學變頻電源、振動臺、學生自制振動彈片．

圖2

振動臺利用動圈式揚聲器發聲時產生振動的原理制作而成,其制作方法如下.

(1) 制作一個圓環和杯狀圓柱體,一端是空心,另一端的中心打一個小孔,直徑5 mm,再用M6絲攻,攻一個6 mm的螺絲孔,如圖2．

(2) 將圓環和圓柱體(空心一頭,對準中心)用膠水粘在一體,如圖3．

(3) 把揚聲器的防塵罩用小刀去除,再將圖2放在揚聲器的中心,用膠水粘住,如圖4．

圖3

圖4

(4) 再將圖4用螺絲固定在合適塑料盒子里,這樣一個振動臺就做成了,使用時只要將需要的器材固定在螺絲孔內．

學生自制振動彈片:筆者在課前將0.18 mm厚的磷銅片裁剪成2 cm寬的條狀,指導學生自行剪切長度,打孔安裝固定．如圖5．

圖5

通過連續調節變頻電源的輸出頻率,可觀察到不同長度彈片的振動情況,記錄下不同長度的振動彈片對應的共振頻率,匯總如表1所示.利用Excel的圖表功能,得到圖6規律.當把彈片長度取倒數后,得到表2.利用Excel,得到圖7規律,所有點近似分布在一條直線上.

表1

圖6

表2

圖7

該實驗數據說明:

(1) 由于單純是數據匯總分析,其內在影響因素較復雜,因此無需學生解釋數據的直線分布原因;

(2) 該圖線是由若干次有限實驗數據獲得,只能很粗略表示其二者間關系;

(3) 指導學生根據該直線規律推知彈片在其它長度條件下對應的共振頻率,并進行實驗驗證．

該實驗裝置的特點是:結構簡單、操作方便、效果明顯．學生通過操作就能明白什么是共振現象和共振條件;培養學生發現問題,提出問題,解決問題的探究能力;培養學生應用Excel處理數據的能力;培養學生應用所得結論合理外推,理論聯系實際的意識;同時因為學生可以自己動手,提高了學習興趣,活躍了課堂氣氛．非常適合開設相應的校本選修課程供學生活動．

2 駐波探究實驗

圖8

在上述實驗中如果持續提高電源的輸出頻率和輸出電壓,將會出現一維駐波現象,如圖8所示．

一維駐波的成因是兩列同頻率的波在沿傳播方向上同一直線疊加．在波形上,波節和波腹的位置始終是不變的,給人“駐立不動”的印象,但它的瞬時值是隨時間而改變的．

根據不同長度的振動彈片對應的駐波頻率,匯總如表3所示.利用Excel,得到圖9規律,所有點近似分布在一條直線上.

表3

圖9

3 后期改進

目前僅只是改變彈片的長度,來研究共振頻率和駐波頻率．后期可選擇改變彈片材料,彈片寬度或厚度．