自制共振实验演示仪

陈剑峰

摘   要：共振现象是高中物理教学的难点之一。文章利用光电门传感器测量直线电机的驱动频率与彩球振子的固有频率，不断改变驱动频率，产生共振现象，研究共振时驱动频率与固有频率的关系。

关键词：共振现象;光电门传感器;驱动频率;固有频率;共振条件

中图分类号：G633.7 文獻标识码：A     文章编号：1003-6148（2021）10-0053-2

共振现象是高中物理教学的难点，教材中的共振摆球和手摇式共振仪实验只能演示共振现象[1]，不能定量显示振子的固有频率，无法实时显示驱动频率，强行给出当驱动频率等于固有频率时发生共振，学生对该结论非常困惑，只能强行记忆，效果差。

1    设计思路

采用可调速的直线电机更稳定地驱动，通过光电门测量驱动频率;用带杆的彩球制作振子，固有频率可通过光电门测量;通过控制固定连杆位置（球杆的长度）来改变振子的固有频率多次实验。

2    制作过程

2.1    制作材料

有机玻璃板、抽屉导轨、钻夹（0.3～2.5 mm）、弹性圆钢条、直线电机、可调压电源、彩球、小硅胶塞、光电门传感器4个（含转接头）、采集器、计算机等。

2.2    制作说明

2.2.1    测驱动频率结构

上下板设计如图1、图2所示。

上板安装挡光片，利用固定在下板的光电门传感器测量驱动频率（周期）。

2.2.2    振子的制作

将3个轻质彩球沿直径打穿，两端各压入软胶塞，把长度为50 cm、直径为1.8 mm的弹性圆钢条插入软胶塞，做成3个带杆小球作为振子，弹性圆钢条穿过钻夹孔，锁紧固定，可任意调节杆的长度多次实验（装置置于无盖木箱上）。

2.2.3    测固有频率结构

将3个光电门传感器并排组合，固定在L形支架上，使弹性圆钢条刚好处于光电门的正中间（刚好在挡光孔处），分别拨动振子，可测量每个振子的固有频率。

2.2.4    专用软件设计

1通道实时采集驱动周期，2、3和4通道分别采集三个振子的固有周期，根据f=1/T，实时显示驱动频率值和三个振子的固有频率值。为了方便观察，频率显示数字尽量设计大点，2、3和4通道数据稳定时可将固有频率数值锁定。

2.3    装置实物图（图3）

3    实验过程

3.1    实验方案

3.2    实验步骤

（1）组装好仪器，打开软件，点击“连接设备”;

（6）可不断减小驱动频率或改变振子的固有频率（改变杆的有效长度）重复实验;

（7）分析得出结论。

3.3    实验数据

实验数据如表1所示，不同驱动频率对应的实验现象如图4、图5、图6所示。

3.4    结  论

物体受迫振动时，当驱动频率与物体固有频率相等时，受迫振动的振幅达到最大，即共振。驱动频率与物体固有频率相差越多，受迫振动的振幅越小[2]。

4    结束语

通过直线电机驱动，提供稳定的驱动频率，即能演示明显的共振现象，三球对比可以产生很强烈的视觉冲击。通过光电门传感器测量固有频率和驱动频率，演示共振时驱动频率与固有频率的定量关系。通过调压来改变驱动频率，同时观察振子振幅的变化情况，得到“共振曲线”的变化趋势。还可以通过调节杆的长度改变固有频率，多次验证共振的条件，有效地突破教学重难点。

参考文献：

[1]廖伯琴.普通高中教科书物理选择性必修第一册[M].济南：山东科学技术出版社，2019：51-52.

[2]肖丽英.高中物理机械振动和机械波相关概念教学的研究[D].苏州：苏州大学，2009.

（栏目编辑    刘   荣）

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