受迫振动和共振现象实验的改进与创新

陈烨鑫

(江苏省启东中学 江苏 南通 226200)

1 教材中的实验分析

“外力作用下的振动”是人教版《物理·选修3-4》中第十一章第5节内容．教材中研究受迫振动的频率和观察共振现象的装置分别如图1和2所示．在做演示实验的过程中我们发现存在一些问题．

图1 研究受迫振动的频率

(1)图1的装置中振子除上下振动外，还会发生前后左右摆动．

(2)图2的装置实验现象不稳定，实验效果不好，而且只能演示B球的共振，难以和书中的共振曲线(图3)结合起来理解．

图2 观察振幅的差别

图3 共振曲线

其实图2的实验装置只能说是一个耦合摆，让能量在小球之间来回传递，因而并不能很好地演示共振现象．

2 实验改革

针对以上实验出现的问题，对受迫振动和共振现象实验装置进行了改进.改进过程如下.

笔者找了一个玩具小汽车上拆解下来的小电动机，在它的转轴上焊接了一个小铁块做成了一个电动偏心轮，再将他们用透明胶带绑在钢锯条上．将泡沫海绵剪成薄片状，用502胶水将它粘在钢锯条的一端作为遮光条，如图4所示．

图4 自制共振演示装置

接下来将学生电源、电动机、滑动变阻器和开关连接起来，如图5所示，电源电压选择直流6 V．如图6所示，将数字计时器与1个光电门连接作为测量电路，光电门用铁架台的夹子固定位置．调节夹子的高度，使遮光条处在光电门的挡光位置．全套实验装置如图7所示．

图5 共振演示装置电路实物图

图6 用夹子固定光电门与数字计时器相连作为测量电路

图7 受迫振动和共振现象演示仪

这样制作受迫振动和共振现象演示仪的过程也是朱正元教授“坛坛罐罐当仪器，拼拼凑凑做实验”理念的实践．

3 实验优点

研究改进后的实验可以发现：

(1)采用调速电机带动偏心轮转动，驱动更平稳，周期性强，且驱动频率可调．

(2)可以定性研究受迫振动的振幅与驱动力频率的关系．

调节滑动变阻器，即改变了驱动频率的大小．随着驱动频率的增大，钢锯条的振幅也变大；某一驱动频率f0下钢锯条振幅最大；把驱动力频率再增加，钢锯条的振幅又突然减小．则对应于驱动频率f0，钢锯条发生了共振现象．实验现象明显，而且和书中共振曲线对应性强．

(3)可以定量研究受迫振动的频率与驱动力频率的关系、共振时的频率与固有频率的关系．

将泡沫海绵剪成薄片制作成遮光条，与数字计时器配合，可以测锯条的振动周期．通过对振动过程中某一状态下周期的测量，可清晰显示：

1)不管系统的固有频率如何，它做受迫振动的频率总等于驱动力的频率．

2)驱动力的频率等于系统的固有频率时，受迫振动的振幅最大．

(4)削弱实验中的驻波现象的影响．

调整锯条的长度，优选锯条和铁架台夹子接触处的材料，削弱驻波现象对实验的干扰．

4 结束语

在教师所从事的教学活动中，对物理实验的改进与创新，是教师秉承新课程标准的理念，由课程的复制者走向课程的创造者的有效尝试．有利于培养学生的观察思维能力，发展学生的创新精神和实践能力,促使学生养成求真求实、客观严谨、批判质疑、探索创新的科学态度和科学精神，从而帮助学生更好地构建物理概念和物理规律．