細(xì)鐵絲撥磚式共振演示器的制作與應(yīng)用

霍金勝

中學(xué)物理實(shí)驗室現(xiàn)有的共振演示器如圖1所示，在金屬架子上繃一條水平方向細(xì)繩，在細(xì)繩上懸掛數(shù)個擺長不同質(zhì)量較小的小球做成的單擺，如圖1中的A、B、C。再懸掛一個質(zhì)量較大的金屬球，做驅(qū)動擺，如圖1中的X。

施加外力使驅(qū)動擺X擺動，帶動水平細(xì)繩擺動，水平細(xì)繩擺動又帶動A、B、C3個小球做受迫振動。一段時間后，學(xué)生觀察到B球擺動的幅度最大，而A球和C球擺動的幅度很小。由于X球的擺長與B球的相同，當(dāng)X球擺動時產(chǎn)生的驅(qū)動力的頻率與B球振動的固有頻率相同。從而通過實(shí)驗證實(shí)，當(dāng)驅(qū)動力的頻率等于物體的固有頻率時做受迫振動的物體振幅最大。

此演示實(shí)驗?zāi)芮宄卣f明，做受迫振動的物體受到的驅(qū)動力的頻率與物體固有頻率相同時振子振動的振幅最大。學(xué)生觀察此實(shí)驗后，對共振產(chǎn)生的原理并不能完全理解，對共振能產(chǎn)生極大的危害也不容易認(rèn)識。為了彌補(bǔ)此實(shí)驗的不足，筆者制作了細(xì)鐵絲撥磚式共振演示器，如圖2所示。

1制作方法

（1）用金屬條制作1個高約1m，寬約60cm的金屬框架。

（2）用長約60cm的8號鐵絲制作1個振動擺，用1塊磚頭做擺球懸掛在金屬框的上邊柜，使其能自由擺動。

（3）用長90cm的8號鐵絲制作1個驅(qū)動擺，用1塊比磚塊重得多的金屬塊做擺球，鐵塊用元寶螺絲固定，使鐵塊可以方便地上下移動進(jìn)而改變擺長。

（4）取一小段22號細(xì)鐵絲，使其一端能方便地夾在驅(qū)動擺上，另一端折成“Y”形，能方便地夾住振動擺。

2實(shí)驗過程

（1）把細(xì)鐵絲拿在手上，用其撥振動擺，觀察磚塊的擺動。由于細(xì)鐵絲很細(xì)，對振動擺的作用力很小，而磚塊的質(zhì)量約為2kg，所以磚塊擺動的振幅很小。

（2）把細(xì)鐵絲一端夾在驅(qū)動擺上，另一端夾住振動擺的金屬絲，用手推動驅(qū)動擺讓其擺動，觀察振動擺的擺動情況。

（3）松動元寶螺絲，移動鐵塊的高度從而改變驅(qū)動擺的擺長，重復(fù)以上實(shí)驗。

（4）當(dāng)驅(qū)動擺的擺長與振動擺的擺長相同時，振動擺的振幅最大，可以達(dá)到15cm左右，即產(chǎn)生了共振。

3教學(xué)效果

學(xué)生通過此實(shí)驗，清楚直觀地理解了驅(qū)動力如何對振動擺產(chǎn)生作用。當(dāng)驅(qū)動力頻率等于振動擺的固有頻率時，振動擺的振幅為什么最大；當(dāng)驅(qū)動力的頻率與振動擺的頻率相差較大時，振動擺的振幅為什么較小。