受迫振動(dòng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

人教版高中物理選修3-4第十一章第5節(jié)《外力作用下的振動(dòng)》中的受迫振動(dòng)實(shí)驗(yàn)是高中物理疑難實(shí)驗(yàn)之一。為了突破教學(xué)難點(diǎn)， 筆者對(duì)原實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了改進(jìn)，具體做法如下。

一、 實(shí)驗(yàn)原理

粘有永磁鐵的塑料尺子振動(dòng)時(shí)可以在尺子旁邊的電磁鐵線圈內(nèi)產(chǎn)生交流信號(hào)，用萬(wàn)用電表的頻率計(jì)功能測(cè)出交流信號(hào)的頻率，即測(cè)得塑料尺子振動(dòng)的固有頻率。

用計(jì)算機(jī)軟件《虛擬儀器0.94》的信號(hào)發(fā)生器制作正弦交流信號(hào)，正弦交流信號(hào)經(jīng)過(guò)有源音箱的電路板放大后輸送給電磁鐵，用電磁鐵提供驅(qū)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)粘有永磁鐵的塑料尺振動(dòng)。調(diào)節(jié)音箱音量可改變電磁鐵的驅(qū)動(dòng)力的大小。

二、 實(shí)驗(yàn)器材準(zhǔn)備與制作

將耳機(jī)強(qiáng)行拆開(kāi)后，取出耳機(jī)內(nèi)的環(huán)型永磁鐵，將磁鐵粘到學(xué)生文具塑料尺的一端，將塑料尺的另一端固定便制成了一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)。用超重低音有源音箱做信號(hào)放大器。拆開(kāi)有源音箱外殼，將輸送低音信號(hào)的兩條線從低音揚(yáng)聲器截取下，然后用導(dǎo)線連接到音箱外使其與電磁鐵接通，將電磁鐵固定在鐵架臺(tái)上，斷開(kāi)高音信號(hào)線（懸空狀態(tài)）。

三、 《虛擬儀器0.94》軟件下載與計(jì)算機(jī)調(diào)試

1.在網(wǎng)絡(luò)上下載《虛擬儀器0.94》軟件

從相關(guān)網(wǎng)站下載《虛擬儀器0.94》軟件，下載完成后再用軟件winrar將下載的軟件解壓縮到硬盤(pán)上。

2.啟動(dòng)《虛擬儀器0.94》軟件

用鼠標(biāo)雙擊《虛擬儀器0.94》軟件的文件夾下的執(zhí)行文件，啟動(dòng)《虛擬儀器0.94》軟件，軟件界面如圖1所示。

3.制作某種頻率的正弦交流信號(hào)

如圖1所示，用鼠標(biāo)首先單擊《虛擬儀器0.94》軟件窗口右下角的信號(hào)源按鈕，按下左邊的L頻率或R頻率按鈕可設(shè)置輸出頻率。例如單擊L頻率按鈕，在彈出的設(shè)置頻率值對(duì)話框中輸入20，軟件可以生成頻率為20Hz的交流信號(hào)從聲卡輸出，也可以在設(shè)置頻率值對(duì)話框中輸入實(shí)驗(yàn)所需音頻信號(hào)的頻率值（如：18、19、20、21等等），最后用鼠標(biāo)單擊設(shè)置頻率值對(duì)話框的OK按鈕，軟件操作結(jié)束。這時(shí)正弦交流信號(hào)從計(jì)算機(jī)的聲卡輸出，經(jīng)過(guò)超重低音有源音箱放大后輸送給電磁鐵。

四、 演示塑料尺受迫振動(dòng)

塑料尺越長(zhǎng)，塑料尺粘上環(huán)型永磁鐵質(zhì)量越大，其固有頻率越低。

1.組裝儀器

如圖2所示，將塑料尺一端固定，另一端粘上環(huán)型永磁鐵，制作成一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)。將電磁鐵固定在鐵架臺(tái)上，調(diào)節(jié)電磁鐵的一個(gè)磁極距塑料尺另一端的環(huán)型永磁鐵間的距離，保證塑料尺振動(dòng)時(shí)不與電磁鐵接觸而且電磁鐵磁極對(duì)塑料尺一端的永磁體有足夠大的磁力作用，從而引起塑料尺的受迫振動(dòng)然后將電磁鐵接入電路。

2.測(cè)定塑料尺和永磁鐵系統(tǒng)的固有頻率

用手按動(dòng)塑料尺讓塑料尺自由振動(dòng)，塑料尺端點(diǎn)的永磁鐵振動(dòng)會(huì)使電磁鐵線圈內(nèi)產(chǎn)生交流信號(hào)，交流信號(hào)的頻率與塑料尺振動(dòng)頻率相同，用多用電表的頻率計(jì)功能測(cè)量電磁鐵線圈內(nèi)產(chǎn)生交流信號(hào)的頻率可測(cè)量出塑料尺的固有頻率。實(shí)驗(yàn)測(cè)得長(zhǎng)5cm的學(xué)生文具塑料尺的固有頻率為25 Hz。

3.研究受迫振動(dòng)振幅與驅(qū)動(dòng)力頻率的關(guān)系

用導(dǎo)線將電磁鐵與有源音箱的低音頻輸出線接通，將音箱的3.5插頭插入計(jì)算機(jī)聲卡輸出插孔。用計(jì)算機(jī)《虛擬儀器0.94》軟件制作出不同頻率的正弦交流信號(hào)，正弦交流信號(hào)每個(gè)周期內(nèi)電磁鐵對(duì)永磁鐵吸引、排斥各一次，因此驅(qū)動(dòng)力頻率等于正弦交流信號(hào)的頻率。調(diào)整有源音箱音量可以改變電流大小，從而改變電磁鐵驅(qū)動(dòng)力大小。

用計(jì)算機(jī)《虛擬儀器0.94》軟件制作出不同頻率的正弦交流信號(hào)，觀察不同驅(qū)動(dòng)頻率下塑料尺的振幅。

筆者實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)力頻率為25Hz時(shí)，10cm長(zhǎng)的塑料尺振幅最大；驅(qū)動(dòng)力頻率等于受迫振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率時(shí)，發(fā)生共振現(xiàn)象。增大或減小計(jì)算機(jī)提供的正弦交流信號(hào)的頻率，塑料尺振幅將減小。受迫振動(dòng)振幅與驅(qū)動(dòng)力頻率關(guān)系符合教材中共振曲線反映的規(guī)律。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐忠岳.受迫振動(dòng)與共振實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì).物理實(shí)驗(yàn)，2009（7）.

[2] 嚴(yán)宇亮.把電腦變成示波器——介紹一款基于聲卡虛擬儀器軟件.電子制作，2002（9）.

（責(zé)任編輯 郭振玲）