中學(xué)優(yōu)秀共振演示實(shí)驗(yàn)的梳理與優(yōu)秀新案例剖析

葛騰霄

摘 要： 本文首先從波的共振和機(jī)械共振兩個(gè)方面梳理了中學(xué)階段關(guān)于共振的演示實(shí)驗(yàn)，并對(duì)它們的優(yōu)缺點(diǎn)作出評(píng)述；其次介紹了一個(gè)新穎的，采用了自制教具進(jìn)行演示的機(jī)械共振方面案例；最后從演示實(shí)驗(yàn)的教學(xué)入手分析了該案例的教具優(yōu)勢、操作的規(guī)范性、演示的合理性，以及如何幫助學(xué)生突破具體演示現(xiàn)象達(dá)到理解抽象的“共振”物理概念。

關(guān)鍵詞： 共振 演示實(shí)驗(yàn) 自制教具

1.共振演示實(shí)驗(yàn)的梳理

共振現(xiàn)象是自然界中極普遍的現(xiàn)象，在物理學(xué)的不同分支，它擁有不同的名字。比如在聲學(xué)中我們稱之為“共鳴”，指的是物體因共振而發(fā)聲的現(xiàn)象。在電學(xué)中，振蕩電路的共振現(xiàn)象稱為“諧振”。光學(xué)中光波的疊加也可以看做一種共振，即光的干涉現(xiàn)象。而在中學(xué)階段，我們給學(xué)生演示最多的現(xiàn)象最明顯的是機(jī)械振動(dòng)中的共振。在機(jī)械振動(dòng)中“驅(qū)動(dòng)力的頻率接近物體的固有頻率時(shí)，受迫振動(dòng)的振幅增大，這種現(xiàn)象叫做共振”①。這里我對(duì)中學(xué)常用的非教科書中的共振演示實(shí)驗(yàn)做了一個(gè)梳理，按照波的共振與機(jī)械共振兩大類進(jìn)行分類供大家參考。

1.1波的共振

音叉法：演示聲學(xué)共振和聲波具有能量的經(jīng)典演示實(shí)驗(yàn)。取幾個(gè)音叉且至少有兩個(gè)頻率相同，相隔不遠(yuǎn)并排放在桌上。打擊相同兩個(gè)音叉的其中之一使其發(fā)聲，過一會(huì)按住使其停止發(fā)聲，可以聽到另一與其頻率相同音叉發(fā)出了聲音。實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)：儀器簡單，演示成功率極高。但該實(shí)驗(yàn)中共振的音叉發(fā)聲小，受外界雜音干擾大，遠(yuǎn)處不容易聽到，說服力有限。

應(yīng)聲法②：沈括在《夢溪筆談》中精心設(shè)計(jì)了一個(gè)聲學(xué)共振實(shí)驗(yàn)。他剪了一個(gè)紙人，把它固定在一根弦上，彈動(dòng)和該弦頻率成簡單整數(shù)比的弦時(shí)，它就振動(dòng)使紙人跳躍，而彈其他弦時(shí)，紙人則不動(dòng)。沈括把這種現(xiàn)象叫做“應(yīng)聲”。用這種方法演示共振是沈括的首創(chuàng)。在西方，直到15世紀(jì)，意大利人才開始做共振實(shí)驗(yàn)。至今，在某些國家和地區(qū)的中學(xué)物理課堂上，教師還使用這種方法給學(xué)生做關(guān)于共振現(xiàn)象的演示實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)：十分形象生動(dòng)，能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的濃厚興趣，但是實(shí)驗(yàn)儀器需要特別制作，演示可能出現(xiàn)不明顯的現(xiàn)象。

中學(xué)階段光波的共振主要表現(xiàn)在干涉現(xiàn)象中。

薄膜干涉法：取一段鐵絲彎成一個(gè)帶柄的圈，沾上自來水或者肥皂水然后豎直放置。通過投影或者傳閱的方式演示給學(xué)生看。實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)：相當(dāng)簡便的實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)象明顯且可操作性強(qiáng)。亦可轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生實(shí)驗(yàn)。但是較難讓學(xué)生聯(lián)系到干涉現(xiàn)象，需要比較多的解釋與說明。

激光筆干涉法：取一面小鏡子，其中一邊鍍銀。準(zhǔn)備兩個(gè)剃須刀刀片。演示開始后，將兩片剃須刀緊緊并排放置，在小鏡子的鍍銀面使勁劃出一道刻痕（劃穿鍍銀層）。因?yàn)樘觏毜镀瑯O其薄而鋒利，實(shí)際上的兩道劃痕看起來像是一條。最后用一個(gè)高亮度的激光筆頂住鍍銀層，從刻痕射出照在墻壁或者黑板上均可。要求：室內(nèi)盡量黑暗。實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)：操作簡單，現(xiàn)象明顯。并且可以以魔術(shù)的形式展現(xiàn)，學(xué)生非常感興趣（同一個(gè)動(dòng)作，一個(gè)刀片劃即為單縫衍射，現(xiàn)象截然不同）。但是經(jīng)事實(shí)檢驗(yàn)本實(shí)驗(yàn)操作需要多練習(xí)，否則不易出現(xiàn)雙縫干涉條紋。

1.2機(jī)械共振

皮筋法：“拍拍球”是小學(xué)附近熱賣的兒童玩具，它顏色多且鮮艷，尤其引人注目的是長約15cm～20cm的細(xì)長的“手臂”，實(shí)際上它是勁度系數(shù)極小的橡皮筋，用這種玩具代替普通的橡皮筋做共振實(shí)驗(yàn)，能大大提高可見度。實(shí)驗(yàn)時(shí)，用手提橡皮筋的一端，在豎直方向上下抖動(dòng)。當(dāng)手抖動(dòng)頻率與固有頻率相差較大時(shí)，小球振幅極其微小。當(dāng)手抖動(dòng)頻率與固有頻率相等時(shí)，振幅突然增大。若小球質(zhì)量合適，手微微抖動(dòng)，振幅便能達(dá)到幾十公分。實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)：這種方法非常切合中學(xué)生生活經(jīng)歷，能夠極大地激發(fā)他們的探究欲望，且效果顯著，幾乎沒有失敗的可能。

共振擺法：在張緊的繩子上掛幾個(gè)擺，其中有些擺的擺長近似相等.讓擺長相等的某一個(gè)擺振動(dòng)，從而使其他各擺做受迫振動(dòng)。實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)：在實(shí)踐操作中，可以看到擺長近似相等的球振幅較大，但對(duì)學(xué)生來說有一個(gè)關(guān)鍵問題是它們的振動(dòng)步調(diào)不一定一致。這就導(dǎo)致學(xué)生的也許不能一下子得出觀察結(jié)論。該實(shí)驗(yàn)較難把握住，有時(shí)說服力不夠。

洗衣機(jī)共振法③：家用機(jī)械式迷你洗衣機(jī)的甩干桶在脫水定時(shí)器復(fù)位時(shí)，由于慣性會(huì)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)一段時(shí)間，此過程相當(dāng)于給系統(tǒng)不斷施加策動(dòng)力的過程，可以把此時(shí)的甩干桶當(dāng)做策動(dòng)力源。在甩干桶逐漸減速運(yùn)動(dòng)的過程中，策動(dòng)力的頻率逐漸減小，洗衣機(jī)的振動(dòng)卻越來越厲害。在某個(gè)轉(zhuǎn)速時(shí)（其實(shí)是策動(dòng)力的頻率和洗衣機(jī)的固有頻率近乎相等），洗衣機(jī)的振動(dòng)最厲害。然后隨著轉(zhuǎn)速的減慢，洗衣機(jī)的振幅逐漸減小。課堂演示時(shí)，將半燒杯水放在洗衣機(jī)蓋上，在甩干桶逐漸停轉(zhuǎn)的過程中，水由微微的顫動(dòng)到較大波動(dòng)再到輕微振動(dòng)。實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)：較簡便形象、直觀放大地說明了機(jī)械共振的原理，但攜帶略有不便。

2.共振演示實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新案例

2.1實(shí)驗(yàn)裝置

材料：三個(gè)子彈殼、一個(gè)銅鎖、細(xì)線若干、一個(gè)盛滿水的礦泉水瓶、兩根筷子。

制作：

教具1：將三個(gè)子彈殼分別用細(xì)線系在一根筷子上，三個(gè)子彈殼到筷子的距離不相等，即擺長不等。

教具2：首先將筷子穿過水瓶瓶口，并使筷子始終水平；其次將三個(gè)子彈殼分別與細(xì)線相連，再分別系在筷子上，均在水瓶的同側(cè)，子彈懸掛時(shí)重心到筷子的距離分別是11cm、18cm、26cm。最后在瓶子另一側(cè)的筷子上用細(xì)線系上銅鎖，銅鎖重心到筷子的距離可調(diào)。子彈殼的重心及銅鎖重心的距離都需要由“懸掛法”確定。

2.2實(shí)驗(yàn)演示

實(shí)驗(yàn)1：使用教具1，手握筷子的兩端，使筷子保持水平，轉(zhuǎn)動(dòng)筷子，使其中一個(gè)子彈殼劇烈擺動(dòng)而另外兩個(gè)子彈殼擺動(dòng)微小甚至不擺動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)2：使用教具2，將裝置放在水平桌面上，調(diào)整銅鎖的擺長，使其等于18cm，即與中擺的擺長相等，將銅鎖拉離平衡位置一定距離，釋放，使其在某一豎直平面內(nèi)自由擺動(dòng)，觀察三個(gè)子彈殼的擺動(dòng)情況。再調(diào)整銅鎖擺長使之先后與短擺和長擺的擺長相等，使銅鎖以一定振幅擺動(dòng)，分別觀察三個(gè)子彈殼的擺動(dòng)情況。

2.3注意事項(xiàng)

儀器制作：

教具1：三個(gè)子彈之間的距離應(yīng)該注意等分，避免三個(gè)靠得過近或者過遠(yuǎn)影響實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

教具2：在確定子彈和銅鎖重心的時(shí)候可將他們視為薄板并采用人教版必修一中“重力”一節(jié)的懸掛法進(jìn)行確定。其次，測量擺長的時(shí)候先將重物懸掛好，再用直尺測量，防止先測量后懸掛導(dǎo)致的擺長測量誤差，注意視線與刻度垂直。礦泉水瓶中的水要裝的適量，太滿則重心太高，實(shí)驗(yàn)時(shí)裝置容易傾倒；太少則瓶子本身太輕銅鎖擺動(dòng)時(shí)容易傾倒。

實(shí)驗(yàn)演示：

實(shí)驗(yàn)1：操作需要耐心，最好是提前嘗試和練習(xí)以達(dá)到上課時(shí)三個(gè)子彈按順序產(chǎn)生共振的效果為宜。要明確告訴學(xué)生需要觀察的內(nèi)容，以便學(xué)生思考。

實(shí)驗(yàn)2：將實(shí)驗(yàn)儀器略微側(cè)向面對(duì)學(xué)生使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯。銅鎖的擺動(dòng)幅度不宜過大，大約在10°為宜。各種擺長重復(fù)幾次增強(qiáng)說服力。

3.分析與反思

3.1演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)分析

演示實(shí)驗(yàn)在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中占有很大比重，是一種深受學(xué)生歡迎的演示形式，是教師施展教學(xué)藝術(shù)的獨(dú)特手段，它能夠化枯燥為生動(dòng)，化抽象為具體。本案例是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的使用自制演示實(shí)驗(yàn)儀器向?qū)W生展示物理現(xiàn)象，闡明物理規(guī)律的案例。它符合演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基本要求并且能夠兼顧觀察指導(dǎo)策略。

本實(shí)驗(yàn)有明確的目的。我們不能夠離開演示實(shí)驗(yàn)的具體目的評(píng)價(jià)其好壞。換而言之，即使一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)做得再成功再引人注目，如果實(shí)驗(yàn)本身目的不明確，學(xué)生看完后只覺得有意思而無法引發(fā)進(jìn)一步的思考，這也是一個(gè)失敗的演示實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)?zāi)康拿鞔_，就是讓學(xué)生觀察到共振現(xiàn)象。而且實(shí)驗(yàn)1為實(shí)驗(yàn)2做了鋪墊，明確了觀察的目的與角度，讓學(xué)生做好了觀察的思想準(zhǔn)備，從而留給學(xué)生一定的產(chǎn)生或者影響共振發(fā)生條件的印象，有利于實(shí)驗(yàn)演示后的教學(xué)。

本實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯而直觀。演示實(shí)驗(yàn)的教學(xué)功能離不開學(xué)生的觀察，因此要求演示的物理現(xiàn)象明晰易見，直觀說明問題。首先，本實(shí)驗(yàn)采用的“擺”是銅鎖和子彈殼，他們都是體積小、顏色深、密度較大的物體，擺動(dòng)起來非常顯眼。其次，因?yàn)槭亲灾平叹撸詢x器很簡單，實(shí)驗(yàn)步驟也不多，過程明了。

本實(shí)驗(yàn)操作具有示范性。演示實(shí)驗(yàn)有很多作用，比如：激發(fā)學(xué)生的興趣和求知欲，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)生動(dòng)的物理學(xué)習(xí)情境，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神。還有一點(diǎn)就是發(fā)展學(xué)生的能力，使學(xué)生掌握科學(xué)的方法?？茖W(xué)的實(shí)驗(yàn)方法是科學(xué)方法的重要環(huán)節(jié)，規(guī)范嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牟僮魇潜ＷC實(shí)驗(yàn)方法科學(xué)性的前提。因此，教師在設(shè)計(jì)和上演示實(shí)驗(yàn)課時(shí)務(wù)必注意操作的規(guī)范性、嚴(yán)謹(jǐn)性，以便讓學(xué)生從中有所學(xué)，有所感。本實(shí)驗(yàn)嚴(yán)格地按照懸掛法的有關(guān)要求確定了物體重心的位置，雖然即使不采用此方法誤差也不大，但是這樣做教會(huì)了學(xué)生對(duì)待實(shí)驗(yàn)要有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度。注意到先懸掛“擺”再讀數(shù)，將誤差降到最低，同時(shí)強(qiáng)化學(xué)生正確使用基本量具、儀表的習(xí)慣。

3.2化抽象為具體方法分析

機(jī)械共振這一節(jié)是比較抽象的，學(xué)生的前概念一般比較模糊。即使細(xì)心的學(xué)生平時(shí)觀察到這一現(xiàn)象，也很難憑借感知得出共振的產(chǎn)生條件及規(guī)律。教科書上這一節(jié)直接采用了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的共振現(xiàn)象演示儀，這難免讓學(xué)生很難進(jìn)入從舊知識(shí)、舊概念到建構(gòu)新知識(shí)、新概念的狀態(tài)。我們要在這中間搭建一個(gè)橋梁，它既能演示出共振的現(xiàn)象，又能讓學(xué)生不感到陌生。本案例即采用了自制教具的方法。該方法既能減少學(xué)生對(duì)于共振現(xiàn)象的陌生感，又能把抽象的共振問題轉(zhuǎn)變?yōu)榫唧w的可觀察的現(xiàn)象。

學(xué)生在觀察這一現(xiàn)象的時(shí)候，會(huì)自覺地拋棄對(duì)于共振數(shù)學(xué)表達(dá)的畏難情緒，全身心地投入現(xiàn)象觀察中，并表現(xiàn)出描述現(xiàn)象的渴望。我們再適時(shí)地從現(xiàn)象、文字、數(shù)學(xué)等多方面引入對(duì)于共振的描述，就能達(dá)到事半功倍的效果。

3.3自制教具優(yōu)點(diǎn)分析

課堂演示實(shí)驗(yàn)作為一種重要的教學(xué)策略，是影響課堂教學(xué)效果的關(guān)鍵因素，是學(xué)生掌握概念、規(guī)律的重要途徑。要提高演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量，自制教具是一條很好的途徑，它不僅可以補(bǔ)充儀器，減輕學(xué)校經(jīng)費(fèi)開支，更可以提高教學(xué)質(zhì)量，有助于培養(yǎng)師生動(dòng)手操作、觀察、獨(dú)立分析解決問題的能力，使學(xué)生受到良好的科學(xué)就在身邊的意識(shí)教育④。

本實(shí)驗(yàn)通過恰當(dāng)選擇組合材料增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的可見度，通過使用學(xué)生身邊的東西而不是一個(gè)設(shè)計(jì)完備的實(shí)驗(yàn)儀器。我們在上這堂課時(shí)除了該演示實(shí)驗(yàn)外，教科書上的共振擺肯定也會(huì)涉及，所以這個(gè)實(shí)驗(yàn)其實(shí)是一個(gè)認(rèn)知補(bǔ)充，擴(kuò)大了實(shí)驗(yàn)的同類量。最后，這個(gè)實(shí)驗(yàn)明顯較書本上的儀器更具有趣味性，而且具有為學(xué)生實(shí)驗(yàn)的潛力。我們甚至可以讓學(xué)生各自準(zhǔn)備材料，現(xiàn)場制作。

注釋：

①人教版高中《物理》第一冊（必修）.

②易忠兵.演示共振現(xiàn)象的幾種實(shí)驗(yàn)方法[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2007（4）.

③易忠兵.演示共振現(xiàn)象的幾種實(shí)驗(yàn)方法[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2007（4）.

④鄧飛.自制教學(xué)為實(shí)驗(yàn)教學(xué)添光彩.教學(xué)參考中學(xué)版，2013，1.

參考文獻(xiàn)：

[1]易忠兵.演示共振現(xiàn)象的幾種實(shí)驗(yàn)方法[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2007，4.

[2]鄧飛.自制教學(xué)為實(shí)驗(yàn)教學(xué)添光彩[J].教學(xué)參考中學(xué)版，2013，1.

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[4]閻金鐸，郭玉英.中學(xué)物理教學(xué)概論[M].北京：高等教育出版社，2009.12.

[5]錢曉.自制教具在物理教學(xué)過程中的應(yīng)用[J].物理教師，2014，6.