“外力作用下的振動”演示實驗的創新與改進

伊蘭

摘 要：本文對人教版3-4中的“外力作用下的振動”這一節的演示實驗進行了創新與改進，改進之后的實驗裝置現象明顯，便于觀察，使學生能夠更深刻的理解阻尼振動、受迫振動以及共振等物理現象。

關鍵字：阻尼振動;受迫振動;頻率;共振

教材中主要包含阻尼振動、受迫振動、共振這三大塊的內容，其中阻尼振動沒有實驗，教材中用一幅圖來說明阻尼振動，學生不能聯想到生活中的實際例子來進行理解，從而造成了理解上有一定的難度。受迫振動和共振的兩個演示實驗存在一定的問題，難以達到預期的效果。筆者增加和改進了課本中的演示實驗。

一、阻尼振動

（1）實驗裝置及操作說明

1）如圖1所示，彈簧選用勁度系數較好的彈簧，小球選用體積小密度大的鋼球，將位移傳感器置于彈簧振子的正下方，將彈簧靜止時所處的位置設位移為零，位移傳感器通過DIS連接到電腦，直接可通過電腦觀察到振子的位移-時間圖像。

2）將彈簧振子輕輕下拉，測量此時的位移-時間圖像。

3）將一些輕紙條粘在鋼球表面，再次拉動鋼球使其振動，測量此時的位移-時間圖像。

（2）結論說明

實驗結果直接客觀地展示了阻尼振動的圖像，讓學生理解了阻尼振動振幅在逐漸地減小，但是時間軸上的時間間隔不變，所以頻率始終不變，該頻率即為彈簧振子的固有頻率。

二、受迫振動

教材中用電動機驅動兩組彈簧-鉤碼系統振動，這套裝置較之前的手搖式的實驗裝置效率高了許多，但是仍然存在以下幾點不足：電動機和鉤碼的頻率很難用肉眼目測，不能定量顯示電動機和鉤碼的振動頻率;鉤碼做受迫振動，需要一段時間的延遲才能夠與電動機同步，不斷改變電動機的頻率，鉤碼很難達到同步，測量誤差大;振幅不能定量地測量，從定量地而得出振子明確的振動規律，學生不能定量地畫出共振曲線。

（1）實驗裝置及操作說明

1）如圖2所示，將兩個打點計時進行改裝，上面裝上長度不一樣的鋼絲，在鋼絲旁固定光電門，用來測鋼絲的周期（轉換之后可得到鋼絲的頻率），將打點計時器連接脈沖輸入電源，改變脈沖輸入頻率，測量兩根鋼絲的頻率看是否和輸入的頻率相同。

2）分別用手撥動鋼絲，測出鋼絲的固有頻率。

3）輸入脈沖，分別測出兩根鋼絲的頻率，并與輸入頻率進行對比，該實驗進行三次。

（2）結論說明

經過三次實驗的對比，實驗數據能夠清楚的顯示出鋼絲振動的頻率與輸入頻率的關系，進而得出受迫振動與物體的固有頻率無關。

三、共振

教材中提供的共振演示儀存在以下幾點不足：驅動擺A振動之后可以看到離A近的D、C先振動后來慢慢帶到B振動，當B的振幅達到最大后A的振幅又會減小，這種現象大大增加了學生理解的難度;這種用繩子連接起來的擺實際上是一種耦合擺而非振動擺，驅動擺和受迫振動擺之間互傳能量，互相干擾，對實驗現象造成比較明顯的干擾;驅動擺的擺長無法改變，只能實現一組實驗。

（1）實驗裝置介紹

如圖3所示，該實驗裝置用鋼片代替細線，鋼片與圓形橫桿焊接之后放在光滑的軸承上，驅動球用大一些的實心鋼球，并固定在可伸縮調節擺長的桿上，受迫振動小球用空心的稍小的鋼球，小球用兩根細線系住，這種系法能有效地防止小球做圓錐擺。

（2）實驗操作

1）調節驅動擺的擺長，使其與其中一個受迫振動擺的擺長一樣長，推動驅動擺使其擺動，觀察振幅最大的受迫振動擺的擺長是否是與驅動擺一致。

2）再次調節驅動擺的擺長，觀察結果

單擺的周期公式，從公式可以看出單擺的周期與擺長有關，又，則當擺長一致時，單擺的頻率一致。從實驗結果可知，當系統做受迫振動的頻率等于其固有頻率時，系統的振幅達到最大，這就是共振。

（3）定性地表明共振曲線

觀察一個受迫振動擺，將驅動擺的擺長從較短逐漸拉長，觀察受迫振動系統的振幅，發現當擺長逐漸接近系統的擺長時振幅越來越大，之后擺長又逐漸長于系統的擺長時，振幅又越來越小。

四、結束語

物理演示實驗在高中物理課堂中占據舉足輕重的地位，一個好的演示實驗能夠很好地調動學生的積極性，讓學生主動思考，并且能夠更加直觀地讓學生觀察、理解、掌握課堂上需要傳授的物理規律，時代在進步、科技在創新，因此課堂上的演示實驗也需要跟隨時代的潮流不斷地改進創新。

參考文獻

[1] 楊旭峰.優化高中物理課堂實驗教學的一次有益嘗試[J].物理通報，2012：81～82.

[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.