改进共振实验演示仪,理解外力作用下的振动

王 震 孙奕莹

(辽宁师范大学物理与电子技术学院,辽宁 大连 116029)

改进共振实验演示仪,理解外力作用下的振动

王 震 孙奕莹

(辽宁师范大学物理与电子技术学院,辽宁 大连 116029)

本文对人教版高中物理内容“外力作用下的振动”中的演示实验装置进行了分析,并改进和制作了共振实验演示仪,使得学生能更加直观地感受受迫振动频率与驱动力频率和固有频率的关系,加深对共振实验的理解．

共振实验演示仪;受迫振动;频率;共振

人教版高中物理选修3-4中“外力作用下的振动”介绍了受迫振动、共振的相关知识．教材内容提供了与振动相关的两个演示实验装置,帮助学生理解物理概念,但是这两个实验装置在进行操作和实验结论得出的过程中存在一些不足之处．笔者对原有装置进行了改进,制作了“共振实验演示仪”,使之更具有可操作性,有利于学生得出实验结论．

图1 受迫振动演示装置

1 教材中的实验装置

(1) “探究受迫振动频率与驱动力频率和固有频率的关系”演示装置.

人教版教材中提供了用来探究受迫振动频率与驱动力频率和固有频率关系的实验装置(图1)．该装置通过转速可变的电动机向弹簧——小球系统施加周期性驱动力,改变电动机转速,使小球在不同频率的驱动力下做受迫振动．实验要求记录驱动力频率和小球振动的频率,比较得出物体做受迫振动时的频率与驱动力频率相等的结论．

该实验仪器存在几点不足:电动机的频率未知,测量困难,实验中无法记录;实验开始时,启动电动机,小球做受迫振动,但振动不稳定,频率不断改变,只有当小球发生共振时,振动才比较稳定;改变电动机转速,小球振动的频率很难在短时间内同步,测量误差较大,且比较费时．

(2) “探究受迫振动的振幅与固有频率的关系和共振实验”演示装置.

教材中提供了用来探究受迫振动的振幅与固有频率关系的实验装置和共振实验演示装置(图2)．给A摆一个力使A摆振动,同时该力通过绳子也为其他摆提供了驱动力,摆做受迫振动．学生会观察到与A摆摆长相同的B摆和C摆由于固有频率与A摆相同,发生共振,振幅最大,其他摆振幅较小．

图2 共振实验演示装置

该演示实验装置同样存在几点不足: ① 当驱动摆A开始振动时,与A临近的两个从动摆D、E振动最为明显,振幅明显大于距离A摆较远的、与A摆摆长相同的B摆和C摆的振幅．当B摆和C摆的振幅逐渐增大时,又发现A摆的振幅却逐渐减小,一段时间后A摆的振幅逐渐增大,而B摆和C摆的振幅逐渐减小,直至停止振动．因此在教学演示中释放A摆较长时间才可以看到B摆、C摆的振幅最大,E摆振幅最小的现象,随后各个摆的状态又要发生变化,学生对实验现象的理解愈加困难．尤其当A摆刚开始摆动时,学生较难理解D摆和E摆出现振幅最大的现象.② 横梁绳子的松紧程度对实验有一定的影响,影响驱动摆提供能量的传递速度．张紧绳子,能量在绳中传递较慢,需要较长时间才能看到实验现象．若将绳子适当放松,能量在绳中传递的速度较张紧时快,会缩短实验时间,实验中调节绳子的松紧程度就显得尤为重要.③ 该装置实际上属于一种耦合摆装置而非共振装置,耦合摆与共振装置有本质的区别．共振装置的驱动源能量和传给受迫振动部分的能量相比足够大,即驱动源可视为能量库．耦合摆则不同,耦合摆的驱动摆能量有限,当满足理想耦合条件时,驱动摆的能量可以全部传给受迫振动部分,能量在驱动摆与受迫振动部分之间来回传递,造成各个摆在振动时互相干扰,影响实验现象的观察效果．2 实验装置的设计与制作

针对教材中实验装置存在的不足,我们对实验仪器进行了改进,制作了共振实验演示仪(图3)．主要组成部分有横梁、驱动摆、从动摆、支架,尺寸单位为mm．

(1) 装置结构机械图.

(2) 需要的材料.

实心铜球1个(直径0.05m)、质量和形状相同的空心铜球5个(直径0.02m)、实心不锈钢条1根(直径0.01m,长度1m)、废旧收音机天线1根、滚动轴承2个(内径0.01m)、带槽铝合金条5根、直角连接件4个、轻质细线若干米、螺丝若干个．

图3 共振实验演示结构机械图

(3) 装置结构介绍.

横梁:材料选用直径0.01m,长度1m的实心不锈钢条,用来悬挂各个从动摆,不锈钢条两端穿过固定在竖直支架上的滚动轴承(内径等于钢条直径)．

驱动摆:驱动摆的摆球(直径0.05m)选择质量比较大的实心铜球,与可伸缩的废旧收音机天线顶端焊接固定组成驱动摆,利用伸缩天线可以改变驱动摆摆长;横梁上做出与收音机天线尾端螺丝尺寸相符的内螺纹,将驱动摆与横梁连接并固定,驱动摆可以对横梁产生较大的扭转力矩．

支架:底部采用3根带槽铝合金条,用直角连接件固定成“工”字底座,保证了装置的稳定性,又可轻松拆卸,携带方便．

3 原理分析

图4

4 共振实验演示仪在教学中的演示

(1) 探究做受迫振动的物体振动的频率与驱动力频率和固有频率的关系.

调整驱动摆摆长,拉开一定角度后释放,驱动摆带动横梁来回转动为从动摆提供驱动力,各从动摆在驱动力的作用下做受迫振动,观察从动摆的振动情况,可观察到驱动摆与各从动摆振动的频率相同．

再改变驱动摆的摆长,即改变了驱动力的频率,观察到各从动摆与驱动摆摆动的频率依然相同,可得出结论,即f受迫=f驱，与f固无关.

(2) 演示共振现象.

拉伸或收缩天线,改变驱动摆摆长,使之不等于任意一个从动摆的摆长,拉开驱动摆一定角度释放．发现摆长最接近驱动摆的两个从动摆振幅大于其他从动摆振幅,其中摆长更接近驱动摆的从动摆振幅略大于另一个,可说明当f驱≠f固时,二者越接近,做受迫振动物体的振幅越大;当驱动摆摆长等于某一个从动摆摆长时(即f驱=f固),将驱动摆拉开一定角度释放．发现与驱动摆摆长相等的从动摆振幅最大,明显大于其他从动摆振幅,说明当f固=f驱时物体的振幅最大,此时发生的就是共振现象．

5 实验装置的主要优点

(1) 采用收音机天线作为驱动摆的摆线.

收音机天线质量轻,又可收缩,方便改变摆长从而改变驱动力的频率．

(2) 驱动摆摆球质量大于各从动摆摆球质量.

驱动摆摆球质量大于各从动摆摆球质量,即驱动源能量大于传给受迫振动部分的能量,克服了教材中耦合摆装置能量传递的问题．利用钢横梁代替绳子横梁,基本上消除了几个摆之间互相耦合而产生的从动摆振幅先变大后变小的影响,能量几乎不会在几个摆之间来回传递,共振摆的振幅在一开始就会明显大于其他从动摆的振幅,实验现象明显．

(3) 装置的多种用途.

改进后的实验装置能同时演示多个物理现象,充分调动学生学习的积极性,有利于教师开展探究性教学．

共振实验演示仪可以较好地完成“外力作用下的振动”这一节课所需要的演示实验,实验现象明显,演示效果清晰明了,把抽象的物理概念生动形象地展示在学生面前,更有效地加深了学生对物理知识的学习与理解,同时实验仪器制作简单,美观、耐用,且易拆卸．

1 朱行建,郭怀中.共振演示实验的纰缪与装置的改进[J]. 物理实验, 2007, 27(7):24-26.

2 单晓峰.关于受迫振动、共振的实验研究[J]. 物理实验, 2006, 26(8):24-26.

3 吴兰红.“外力作用下的振动”教学设计与思考[J]. 中学物理教学参考, 2009(12):7-8.

4 曾宪桂.充分挖掘实验素材 实现探究教学目标——以“外力作用下的振动”难点突破的探究为例[J]. 中学物理教学参考, 2015(7):29-30.

5 华玉梅，李林.受迫振动与共振实验演示装置的创新设计[J].物理教师，2012(12)：41-42.

6 邢红军，陈清梅.一个妙趣横生的共振演示实验设计[J].物理教师，2001(11)：25.

2016-10-12)