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容，主要包括受迫振動、固有頻率、驅動力、共振等概念自制的受迫振動及共振現象演示儀，原理簡單，制作方便，能演示受迫振動和共振現象，演示效果明顯，取得了較好的課堂教學效果，有效地激發學生的學習興趣.

關鍵詞：受迫振動；共振；演示儀

基金項目：江蘇省教育科學十三五規劃課題“指向高中生物理核心素養提升的‘讓學引思教學模式的構建與實踐”，課題編號：C-c/2016/02/54.

作者簡介：董芳芳（1987-），女，碩士，中學一級教師，研究方向：高中物理學科教學.

物理是一門以實驗為基礎的學科，注重培養學生的科學素養和創新能力，在課堂教學中教師經常會利用一些操作簡單、現象明顯、直觀且生動有趣的演示實驗來輔助教學，不僅能夠激發學生的學習興趣，而且能夠活躍課堂氛圍《外力作用下的振動》是現行人教版普通高中物理課程標準實驗教科書《物理》選修3-4第十一章機械振動第5節的內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，進而通過實驗探究受迫振動的頻率與驅動力頻率的關系，最后利用實驗探究受迫振動的振幅與驅動力頻率的關系，進而認識共振現象

本節課的主要任務是通過實驗掌握物體在做受迫振動時其頻率跟驅動力頻率的關系，以及驅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象這一演示實驗現象更突出，筆者自制了受迫振動及共振現象演示儀，儀器制作簡便，演示現象明顯，取得了較好的演示效果.

1演示器結構及材料

自制的受迫振動及共振現象演示儀，由三組材質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桿與一金屬片焊接而成，如圖1所示，每組細桿長度相同，但三組細桿之間長度不同，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：相同規格彈性細鋼絲6根（長度可根據需要選擇）、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，并與底座內部的一金屬片焊接在一起，并在各桿下方底座上依次標識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

受迫振動及共振現象演示儀中6根鋼絲均和底座內部的金屬片相連，因此當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動力，迫使它們做受迫振動，當驅動力的頻率與其中某組細桿固有頻率相近或相同時，將發生共振現象.

4使用方法

41測定各細桿振動的固有頻率

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根細桿均插入底座孔中，用手任意驅動其中一根細桿使其振動，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動力的頻率，而與細桿的固有頻率無關，符合受迫振動的規律改變手的振動頻率，其余各細桿受迫振動的頻率均隨之發生改變且均與手保持相同.

43演示共振現象

用手驅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桿，先后依次發生抖動最厲害的現象，即當驅動力頻率與物體振動固有頻率相同時，出現共振現象，而此時與之固有頻率不同的細桿未發生共振現象.隨著驅動力的頻率逐漸加大，細桿由長到短依次產生共振這一現象也說明了相同材質、相同規格的細桿的固有頻率與桿的長度有關，長度越長，固有頻率越小.

5小結

傳統教具，如圖3所示，驅動力的頻率是固定的，而且存在耦合擺現象，在此基礎上，筆者對教具進行了適當改進，不僅可以用手持續驅動細桿振動，而且可以改變手的振動頻率，使得驅動力頻率可以發生連續變化，可以有效地演示受迫振動規律以及共振現象，在課堂教學中取得了較好的效果.中學生有強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動學生的學習積極性，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，教師力求帶領學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，提高物理學科的核心素養.

參考文獻：

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