有關(guān)機械振動的幾個演示實驗

白寶成

(通遼職業(yè)學(xué)院 內(nèi)蒙古 通遼 028000)

通過歷年講授機械振動的實驗教學(xué)，筆者感受到親自動手設(shè)計制作一些小實驗，對學(xué)生理解和掌握概念大有益處.機械振動是力學(xué)中運動形式比較復(fù)雜的一種運動，在運動過程中速度大小和方向都發(fā)生變化，是一種變速運動，其原因是力的大小和方向在運動中發(fā)生變化，從而引起運動狀態(tài)的改變.與運動相關(guān)的一系列物理量,如位移、速度、力、加速度、能量、時間等，在運動過程中如何正確判斷其變化情況，取決于學(xué)生對機械振動知識理解和掌握的程度.

筆者在講授機械振動現(xiàn)象及定義時，利用乒乓球做了三個演示實驗用來描述“物體(或物體某一部分)在平衡位置附近做往復(fù)運動”這一現(xiàn)象.

實驗一：將一個乒乓球用橡皮筋穿過,固定橡皮筋兩端，如圖1所示.將乒乓球向下(或向上)拉離一小段距離后放手，觀察乒乓球的運動.同時對照裝置指出“平衡位置”、“兩側(cè)附近”、“往復(fù)運動”等關(guān)鍵處，依據(jù)定義可知乒乓球做機械振動.

圖1

實驗二：移近兩支架，使橡皮筋掛著的乒乓球構(gòu)成雙線擺，如圖2所示.將乒乓球拉離平衡位置，然后放手，乒乓球來回擺動.經(jīng)過分析可知乒乓球的運動路徑雖然變了,但運動形式?jīng)]變，仍然做機械振動.

圖2

實驗三：取下乒乓球，讓它距桌面某一高度自由下落，在桌面上反復(fù)跳動數(shù)次.乒乓球在桌面上的運動是不是機械振動？通過分析對比，找出幾次運動的異同點.學(xué)生討論激烈，各持己見.按定義，其運動過程不符合機械振動條件，只是一種跳動(還可以接著演示用手在桌面間拍乒乓球.)

經(jīng)過觀察、思考、分析，加深了學(xué)生對“平衡位置附近往復(fù)運動”的理解.接著演示單擺的振動、豎直懸掛在彈簧下端的物體的振動、夾緊的鋼鋸條一端的振動等，使學(xué)生形成對機械振動現(xiàn)象的初步認(rèn)識.

在講授產(chǎn)生振動條件時，通過演示懸掛在豎直彈簧下的物體的振動，分析運動過程中物體的受力情況.物體受彈簧的彈力和重力.當(dāng)物體向下離開平衡位置后，彈力大于重力，合力使物體回到平衡位置，此時的合力根據(jù)效果命名為回復(fù)力，使學(xué)生理解回復(fù)力的意義.在此基礎(chǔ)上，演示用鐵絲繞制成螺旋形狀(其長短、大小跟前面演示的彈簧相同)，掛上重物后，緩慢拉離平衡位置，松手后會發(fā)生什么現(xiàn)象？根據(jù)前面的經(jīng)驗，部分學(xué)生憑直覺認(rèn)為會振動.放手后物體不動，學(xué)生驚訝.經(jīng)過分析，鐵絲繞成的彈簧雖外形相似，但拉伸后不能恢復(fù)原狀，無彈性，物體受到的拉力等于重力，合力為零(即回復(fù)力為零)，所以物體不會振動.通過對比實驗，學(xué)生掌握了物體做

機械振動必須有使物體回到平衡位置的回復(fù)力作用；這是第一個必要條件.緊接著用兩個相同單擺演示分析產(chǎn)生振動的第二個必要條件是阻力足夠小.先使一單擺在空氣中振動，往返多次，而另一單擺放在玻璃缸中攪拌好的稀面糊里運動.選用稀面糊是利用它的粘滯性增加振動中的阻力.稀面糊比教材中用油做實驗取材經(jīng)濟.為保證實驗效果還可以適當(dāng)調(diào)和其稀稠程度，使面糊中的小球緩慢回到平衡位置停止.通過兩個單擺運動的對比，學(xué)生理解了阻力足夠小的物理意義.

圖3

為了使學(xué)生對振動過程中的各個物理量有清楚的認(rèn)識，尤其對各物理量方向的判定，演示懸掛在豎直彈簧下物體的振動時，在裝置后面加一塊白色鐵板，如圖3所示；標(biāo)出平衡位置O，上下兩個振動最大位置A和B.將各物理量用不同顏色制成長8 cm，寬2.5 cm，帶有箭頭的磁性標(biāo)牌，分別表示位移、速度、回復(fù)力、加速度及加速過程、減速過程等.在講解中可以根據(jù)需要，同時將各量方向表示在鐵板上.直觀方便地表示出在振動過程中各物理量的方向關(guān)系.也可以指定某一振動過程，例如由B→O運動過程，請學(xué)生在鐵板上對應(yīng)的擺出各物理量的方向。還可以任選過程，為學(xué)習(xí)簡諧運動等知識打下了良好的基礎(chǔ).