“外力作用下的振動(dòng)”演示實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新與改進(jìn)

伊蘭

摘 要：本文對人教版3-4中的“外力作用下的振動(dòng)”這一節(jié)的演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了創(chuàng)新與改進(jìn)，改進(jìn)之后的實(shí)驗(yàn)裝置現(xiàn)象明顯，便于觀察，使學(xué)生能夠更深刻的理解阻尼振動(dòng)、受迫振動(dòng)以及共振等物理現(xiàn)象。

關(guān)鍵字：阻尼振動(dòng);受迫振動(dòng);頻率;共振

教材中主要包含阻尼振動(dòng)、受迫振動(dòng)、共振這三大塊的內(nèi)容，其中阻尼振動(dòng)沒有實(shí)驗(yàn)，教材中用一幅圖來說明阻尼振動(dòng)，學(xué)生不能聯(lián)想到生活中的實(shí)際例子來進(jìn)行理解，從而造成了理解上有一定的難度。受迫振動(dòng)和共振的兩個(gè)演示實(shí)驗(yàn)存在一定的問題，難以達(dá)到預(yù)期的效果。筆者增加和改進(jìn)了課本中的演示實(shí)驗(yàn)。

一、阻尼振動(dòng)

（1）實(shí)驗(yàn)裝置及操作說明

1）如圖1所示，彈簧選用勁度系數(shù)較好的彈簧，小球選用體積小密度大的鋼球，將位移傳感器置于彈簧振子的正下方，將彈簧靜止時(shí)所處的位置設(shè)位移為零，位移傳感器通過DIS連接到電腦，直接可通過電腦觀察到振子的位移-時(shí)間圖像。

2）將彈簧振子輕輕下拉，測量此時(shí)的位移-時(shí)間圖像。

3）將一些輕紙條粘在鋼球表面，再次拉動(dòng)鋼球使其振動(dòng)，測量此時(shí)的位移-時(shí)間圖像。

（2）結(jié)論說明

實(shí)驗(yàn)結(jié)果直接客觀地展示了阻尼振動(dòng)的圖像，讓學(xué)生理解了阻尼振動(dòng)振幅在逐漸地減小，但是時(shí)間軸上的時(shí)間間隔不變，所以頻率始終不變，該頻率即為彈簧振子的固有頻率。

二、受迫振動(dòng)

教材中用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)兩組彈簧-鉤碼系統(tǒng)振動(dòng)，這套裝置較之前的手搖式的實(shí)驗(yàn)裝置效率高了許多，但是仍然存在以下幾點(diǎn)不足：電動(dòng)機(jī)和鉤碼的頻率很難用肉眼目測，不能定量顯示電動(dòng)機(jī)和鉤碼的振動(dòng)頻率;鉤碼做受迫振動(dòng)，需要一段時(shí)間的延遲才能夠與電動(dòng)機(jī)同步，不斷改變電動(dòng)機(jī)的頻率，鉤碼很難達(dá)到同步，測量誤差大;振幅不能定量地測量，從定量地而得出振子明確的振動(dòng)規(guī)律，學(xué)生不能定量地畫出共振曲線。

（1）實(shí)驗(yàn)裝置及操作說明

1）如圖2所示，將兩個(gè)打點(diǎn)計(jì)時(shí)進(jìn)行改裝，上面裝上長度不一樣的鋼絲，在鋼絲旁固定光電門，用來測鋼絲的周期（轉(zhuǎn)換之后可得到鋼絲的頻率），將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器連接脈沖輸入電源，改變脈沖輸入頻率，測量兩根鋼絲的頻率看是否和輸入的頻率相同。

2）分別用手撥動(dòng)鋼絲，測出鋼絲的固有頻率。

3）輸入脈沖，分別測出兩根鋼絲的頻率，并與輸入頻率進(jìn)行對比，該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行三次。

（2）結(jié)論說明

經(jīng)過三次實(shí)驗(yàn)的對比，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠清楚的顯示出鋼絲振動(dòng)的頻率與輸入頻率的關(guān)系，進(jìn)而得出受迫振動(dòng)與物體的固有頻率無關(guān)。

三、共振

教材中提供的共振演示儀存在以下幾點(diǎn)不足：驅(qū)動(dòng)擺A振動(dòng)之后可以看到離A近的D、C先振動(dòng)后來慢慢帶到B振動(dòng)，當(dāng)B的振幅達(dá)到最大后A的振幅又會(huì)減小，這種現(xiàn)象大大增加了學(xué)生理解的難度;這種用繩子連接起來的擺實(shí)際上是一種耦合擺而非振動(dòng)擺，驅(qū)動(dòng)擺和受迫振動(dòng)擺之間互傳能量，互相干擾，對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象造成比較明顯的干擾;驅(qū)動(dòng)擺的擺長無法改變，只能實(shí)現(xiàn)一組實(shí)驗(yàn)。

（1）實(shí)驗(yàn)裝置介紹

如圖3所示，該實(shí)驗(yàn)裝置用鋼片代替細(xì)線，鋼片與圓形橫桿焊接之后放在光滑的軸承上，驅(qū)動(dòng)球用大一些的實(shí)心鋼球，并固定在可伸縮調(diào)節(jié)擺長的桿上，受迫振動(dòng)小球用空心的稍小的鋼球，小球用兩根細(xì)線系住，這種系法能有效地防止小球做圓錐擺。

（2）實(shí)驗(yàn)操作

1）調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)擺的擺長，使其與其中一個(gè)受迫振動(dòng)擺的擺長一樣長，推動(dòng)驅(qū)動(dòng)擺使其擺動(dòng)，觀察振幅最大的受迫振動(dòng)擺的擺長是否是與驅(qū)動(dòng)擺一致。

2）再次調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)擺的擺長，觀察結(jié)果

單擺的周期公式，從公式可以看出單擺的周期與擺長有關(guān)，又，則當(dāng)擺長一致時(shí)，單擺的頻率一致。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)系統(tǒng)做受迫振動(dòng)的頻率等于其固有頻率時(shí)，系統(tǒng)的振幅達(dá)到最大，這就是共振。

（3）定性地表明共振曲線

觀察一個(gè)受迫振動(dòng)擺，將驅(qū)動(dòng)擺的擺長從較短逐漸拉長，觀察受迫振動(dòng)系統(tǒng)的振幅，發(fā)現(xiàn)當(dāng)擺長逐漸接近系統(tǒng)的擺長時(shí)振幅越來越大，之后擺長又逐漸長于系統(tǒng)的擺長時(shí)，振幅又越來越小。

四、結(jié)束語

物理演示實(shí)驗(yàn)在高中物理課堂中占據(jù)舉足輕重的地位，一個(gè)好的演示實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚝芎玫卣{(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，讓學(xué)生主動(dòng)思考，并且能夠更加直觀地讓學(xué)生觀察、理解、掌握課堂上需要傳授的物理規(guī)律，時(shí)代在進(jìn)步、科技在創(chuàng)新，因此課堂上的演示實(shí)驗(yàn)也需要跟隨時(shí)代的潮流不斷地改進(jìn)創(chuàng)新。

參考文獻(xiàn)

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[2]單曉峰.關(guān)于受迫振動(dòng)、共振的實(shí)驗(yàn)研究[J].物理實(shí)驗(yàn)，2006，26（8）：24～26.