自制受迫振動演示儀

董芳芳　王勁存

摘要：外力作用下的振動是高中物理課程的重點內(nèi)容，主要包括受迫振動、固有頻率、驅(qū)動力、共振等概念自制的受迫振動及共振現(xiàn)象演示儀，原理簡單，制作方便，能演示受迫振動和共振現(xiàn)象，演示效果明顯，取得了較好的課堂教學(xué)效果，有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.

關(guān)鍵詞：受迫振動；共振；演示儀

基金項目：江蘇省教育科學(xué)十三五規(guī)劃課題“指向高中生物理核心素養(yǎng)提升的‘讓學(xué)引思教學(xué)模式的構(gòu)建與實踐”，課題編號：C-c/2016/02/54.

作者簡介：董芳芳（1987-），女，碩士，中學(xué)一級教師，研究方向：高中物理學(xué)科教學(xué).

物理是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，注重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力，在課堂教學(xué)中教師經(jīng)常會利用一些操作簡單、現(xiàn)象明顯、直觀且生動有趣的演示實驗來輔助教學(xué)，不僅能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且能夠活躍課堂氛圍《外力作用下的振動》是現(xiàn)行人教版普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書《物理》選修3-4第十一章機(jī)械振動第5節(jié)的內(nèi)容教材首先介紹了物體振動的固有頻率的概念，再從能量的角度分析了阻尼振動，進(jìn)而通過實驗探究受迫振動的頻率與驅(qū)動力頻率的關(guān)系，最后利用實驗探究受迫振動的振幅與驅(qū)動力頻率的關(guān)系，進(jìn)而認(rèn)識共振現(xiàn)象

本節(jié)課的主要任務(wù)是通過實驗掌握物體在做受迫振動時其頻率跟驅(qū)動力頻率的關(guān)系，以及驅(qū)動力的頻率與物體固有頻率接近時振動的特點為了使受迫振動以及共振現(xiàn)象這一演示實驗現(xiàn)象更突出，筆者自制了受迫振動及共振現(xiàn)象演示儀，儀器制作簡便，演示現(xiàn)象明顯，取得了較好的演示效果.

1演示器結(jié)構(gòu)及材料

自制的受迫振動及共振現(xiàn)象演示儀，由三組材質(zhì)相同但長度不同的具有一定彈性且頂端分別連接一塑料小球的細(xì)桿與一金屬片焊接而成，如圖1所示，每組細(xì)桿長度相同，但三組細(xì)桿之間長度不同，長桿固有頻率低，短桿固有頻率高，長度相同的桿固有頻率相同所需材料如下：相同規(guī)格彈性細(xì)鋼絲6根（長度可根據(jù)需要選擇）、相同塑料小球6個、金屬片1個、金屬底座1個.

2制作過程

如圖2所示，在底座上表面鉆6個小孔，每根鋼絲上端分別套上1個塑料小球，下端從小孔中間穿過，并與底座內(nèi)部的一金屬片焊接在一起，并在各桿下方底座上依次標(biāo)識A、B、C字樣注意金屬片不能與底座固定，金屬片要能夠自由振動.

3工作原理

受迫振動及共振現(xiàn)象演示儀中6根鋼絲均和底座內(nèi)部的金屬片相連，因此當(dāng)其中一根鋼絲在外力作用下振動時，鋼絲會帶動金屬片振動，振動的金屬片給其余五根桿提供一個周期性驅(qū)動力，迫使它們做受迫振動，當(dāng)驅(qū)動力的頻率與其中某組細(xì)桿固有頻率相近或相同時，將發(fā)生共振現(xiàn)象.

4使用方法

41測定各細(xì)桿振動的固有頻率

分別插入各桿并撥動其上端的塑料小球，測定各桿振動的固有頻率，并分別記為fA、fB以及fC.

42演示受迫振動

將6根細(xì)桿均插入底座孔中，用手任意驅(qū)動其中一根細(xì)桿使其振動，可以觀察到所有桿都將振動起來，且與手的振動頻率相同，說明受迫振動的頻率等于驅(qū)動力的頻率，而與細(xì)桿的固有頻率無關(guān)，符合受迫振動的規(guī)律改變手的振動頻率，其余各細(xì)桿受迫振動的頻率均隨之發(fā)生改變且均與手保持相同.

43演示共振現(xiàn)象

用手驅(qū)動其中任意一根桿緩慢振動，并逐漸增大振動的頻率，可以觀察到從長到短的細(xì)桿，先后依次發(fā)生抖動最厲害的現(xiàn)象，即當(dāng)驅(qū)動力頻率與物體振動固有頻率相同時，出現(xiàn)共振現(xiàn)象，而此時與之固有頻率不同的細(xì)桿未發(fā)生共振現(xiàn)象.隨著驅(qū)動力的頻率逐漸加大，細(xì)桿由長到短依次產(chǎn)生共振這一現(xiàn)象也說明了相同材質(zhì)、相同規(guī)格的細(xì)桿的固有頻率與桿的長度有關(guān)，長度越長，固有頻率越小.

5小結(jié)

傳統(tǒng)教具，如圖3所示，驅(qū)動力的頻率是固定的，而且存在耦合擺現(xiàn)象，在此基礎(chǔ)上，筆者對教具進(jìn)行了適當(dāng)改進(jìn)，不僅可以用手持續(xù)驅(qū)動細(xì)桿振動，而且可以改變手的振動頻率，使得驅(qū)動力頻率可以發(fā)生連續(xù)變化，可以有效地演示受迫振動規(guī)律以及共振現(xiàn)象，在課堂教學(xué)中取得了較好的效果.中學(xué)生有強(qiáng)烈的好奇心和求知欲，對親身參與親身感受的活動非常感興趣，這些新奇的事物能極大地調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高了課堂效率，同時自制教具的過程也能夠加深對知識的理解這一過程中，教師力求帶領(lǐng)學(xué)生充分挖掘生活中的物理，從生活走向物理，從物理走向生活，并在這一過程中掌握物理核心概念，提高推理、分析和實驗探究的能力，提高物理學(xué)科的核心素養(yǎng).

參考文獻(xiàn)：

[1]柴學(xué)群.受迫振動定量演示裝置[J].中學(xué)物理，2009（12）：26-27.