受迫振動(dòng)和共振現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與創(chuàng)新

陳燁鑫

(江蘇省啟東中學(xué) 江蘇 南通 226200)

1 教材中的實(shí)驗(yàn)分析

“外力作用下的振動(dòng)”是人教版《物理·選修3-4》中第十一章第5節(jié)內(nèi)容．教材中研究受迫振動(dòng)的頻率和觀察共振現(xiàn)象的裝置分別如圖1和2所示．在做演示實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)存在一些問(wèn)題．

圖1 研究受迫振動(dòng)的頻率

(1)圖1的裝置中振子除上下振動(dòng)外，還會(huì)發(fā)生前后左右擺動(dòng)．

(2)圖2的裝置實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)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(jié)合起來(lái)理解．

圖2 觀察振幅的差別

圖3 共振曲線

其實(shí)圖2的實(shí)驗(yàn)裝置只能說(shuō)是一個(gè)耦合擺，讓能量在小球之間來(lái)回傳遞，因而并不能很好地演示共振現(xiàn)象．

2 實(shí)驗(yàn)改革

針對(duì)以上實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)受迫振動(dòng)和共振現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了改進(jìn).改進(jìn)過(guò)程如下.

筆者找了一個(gè)玩具小汽車上拆解下來(lái)的小電動(dòng)機(jī)，在它的轉(zhuǎn)軸上焊接了一個(gè)小鐵塊做成了一個(gè)電動(dòng)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(lái)將學(xué)生電源、電動(dòng)機(jī)、滑動(dòng)變阻器和開(kāi)關(guān)連接起來(lái)，如圖5所示，電源電壓選擇直流6 V．如圖6所示，將數(shù)字計(jì)時(shí)器與1個(gè)光電門連接作為測(cè)量電路，光電門用鐵架臺(tái)的夾子固定位置．調(diào)節(jié)夾子的高度，使遮光條處在光電門的擋光位置．全套實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示．

圖5 共振演示裝置電路實(shí)物圖

圖6 用夾子固定光電門與數(shù)字計(jì)時(shí)器相連作為測(cè)量電路

圖7 受迫振動(dòng)和共振現(xiàn)象演示儀

這樣制作受迫振動(dòng)和共振現(xiàn)象演示儀的過(guò)程也是朱正元教授“壇壇罐罐當(dāng)儀器，拼拼湊湊做實(shí)驗(yàn)”理念的實(shí)踐．

3 實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

研究改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)：

(1)采用調(diào)速電機(jī)帶動(dòng)偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)更平穩(wěn)，周期性強(qiáng)，且驅(qū)動(dòng)頻率可調(diào)．

(2)可以定性研究受迫振動(dòng)的振幅與驅(qū)動(dòng)力頻率的關(guān)系．

調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，即改變了驅(qū)動(dòng)頻率的大小．隨著驅(qū)動(dòng)頻率的增大，鋼鋸條的振幅也變大；某一驅(qū)動(dòng)頻率f0下鋼鋸條振幅最大；把驅(qū)動(dòng)力頻率再增加，鋼鋸條的振幅又突然減小．則對(duì)應(yīng)于驅(qū)動(dòng)頻率f0，鋼鋸條發(fā)生了共振現(xiàn)象．實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，而且和書中共振曲線對(duì)應(yīng)性強(qiáng)．

(3)可以定量研究受迫振動(dòng)的頻率與驅(qū)動(dòng)力頻率的關(guān)系、共振時(shí)的頻率與固有頻率的關(guān)系．

將泡沫海綿剪成薄片制作成遮光條，與數(shù)字計(jì)時(shí)器配合，可以測(cè)鋸條的振動(dòng)周期．通過(guò)對(duì)振動(dòng)過(guò)程中某一狀態(tài)下周期的測(cè)量，可清晰顯示：

1)不管系統(tǒng)的固有頻率如何，它做受迫振動(dòng)的頻率總等于驅(qū)動(dòng)力的頻率．

2)驅(qū)動(dòng)力的頻率等于系統(tǒng)的固有頻率時(shí)，受迫振動(dòng)的振幅最大．

(4)削弱實(shí)驗(yàn)中的駐波現(xiàn)象的影響．

調(diào)整鋸條的長(zhǎng)度，優(yōu)選鋸條和鐵架臺(tái)夾子接觸處的材料，削弱駐波現(xiàn)象對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾．

4 結(jié)束語(yǔ)

在教師所從事的教學(xué)活動(dòng)中，對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與創(chuàng)新，是教師秉承新課程標(biāo)準(zhǔn)的理念，由課程的復(fù)制者走向課程的創(chuàng)造者的有效嘗試．有利于培養(yǎng)學(xué)生的觀察思維能力，發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力,促使學(xué)生養(yǎng)成求真求實(shí)、客觀嚴(yán)謹(jǐn)、批判質(zhì)疑、探索創(chuàng)新的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神，從而幫助學(xué)生更好地構(gòu)建物理概念和物理規(guī)律．