受迫振動和共振現象實驗的改進與創新

陳燁鑫

(江蘇省啟東中學 江蘇 南通 226200)

1 教材中的實驗分析

“外力作用下的振動”是人教版《物理·選修3-4》中第十一章第5節內容．教材中研究受迫振動的頻率和觀察共振現象的裝置分別如圖1和2所示．在做演示實驗的過程中我們發現存在一些問題．

圖1 研究受迫振動的頻率

(1)圖1的裝置中振子除上下振動外，還會發生前后左右擺動．

(2)圖2的裝置實驗現象不穩定，實驗效果不好，而且只能演示B球的共振，難以和書中的共振曲線(圖3)結合起來理解．

圖2 觀察振幅的差別

圖3 共振曲線

其實圖2的實驗裝置只能說是一個耦合擺，讓能量在小球之間來回傳遞，因而并不能很好地演示共振現象．

2 實驗改革

針對以上實驗出現的問題，對受迫振動和共振現象實驗裝置進行了改進.改進過程如下.

筆者找了一個玩具小汽車上拆解下來的小電動機，在它的轉軸上焊接了一個小鐵塊做成了一個電動偏心輪，再將他們用透明膠帶綁在鋼鋸條上．將泡沫海綿剪成薄片狀，用502膠水將它粘在鋼鋸條的一端作為遮光條，如圖4所示．

圖4 自制共振演示裝置

接下來將學生電源、電動機、滑動變阻器和開關連接起來，如圖5所示，電源電壓選擇直流6 V．如圖6所示，將數字計時器與1個光電門連接作為測量電路，光電門用鐵架臺的夾子固定位置．調節夾子的高度，使遮光條處在光電門的擋光位置．全套實驗裝置如圖7所示．

圖5 共振演示裝置電路實物圖

圖6 用夾子固定光電門與數字計時器相連作為測量電路

圖7 受迫振動和共振現象演示儀

這樣制作受迫振動和共振現象演示儀的過程也是朱正元教授“壇壇罐罐當儀器，拼拼湊湊做實驗”理念的實踐．

3 實驗優點

研究改進后的實驗可以發現：

(1)采用調速電機帶動偏心輪轉動，驅動更平穩，周期性強，且驅動頻率可調．

(2)可以定性研究受迫振動的振幅與驅動力頻率的關系．

調節滑動變阻器，即改變了驅動頻率的大?。S著驅動頻率的增大，鋼鋸條的振幅也變大；某一驅動頻率f0下鋼鋸條振幅最大；把驅動力頻率再增加，鋼鋸條的振幅又突然減?。畡t對應于驅動頻率f0，鋼鋸條發生了共振現象．實驗現象明顯，而且和書中共振曲線對應性強．

(3)可以定量研究受迫振動的頻率與驅動力頻率的關系、共振時的頻率與固有頻率的關系．

將泡沫海綿剪成薄片制作成遮光條，與數字計時器配合，可以測鋸條的振動周期．通過對振動過程中某一狀態下周期的測量，可清晰顯示：

1)不管系統的固有頻率如何，它做受迫振動的頻率總等于驅動力的頻率．

2)驅動力的頻率等于系統的固有頻率時，受迫振動的振幅最大．

(4)削弱實驗中的駐波現象的影響．

調整鋸條的長度，優選鋸條和鐵架臺夾子接觸處的材料，削弱駐波現象對實驗的干擾．

4 結束語

在教師所從事的教學活動中，對物理實驗的改進與創新，是教師秉承新課程標準的理念，由課程的復制者走向課程的創造者的有效嘗試．有利于培養學生的觀察思維能力，發展學生的創新精神和實踐能力,促使學生養成求真求實、客觀嚴謹、批判質疑、探索創新的科學態度和科學精神，從而幫助學生更好地構建物理概念和物理規律．