高中物理中的機(jī)械“共振”現(xiàn)象

鄧兆瑞

摘 要：本文對(duì)機(jī)械“共振”現(xiàn)象的定義、原理等相關(guān)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，同時(shí)從原子結(jié)構(gòu)、聲學(xué)、電學(xué)等多個(gè)角度多高中物理知識(shí)中的機(jī)械“共振”現(xiàn)象展開了分析，最后列舉了一些生活中對(duì)機(jī)械共振現(xiàn)象的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：高中物理；機(jī)械共振；電磁波

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7344（2018）32-0041-01

引 言

機(jī)械“共振”現(xiàn)象不僅在現(xiàn)實(shí)生活中十分常見，同時(shí)在很多高中物理知識(shí)中也有著一定的體現(xiàn)，如果能夠通過共振現(xiàn)象將這些物理知識(shí)與機(jī)械振動(dòng)知識(shí)聯(lián)系起來(lái)，那么物理知識(shí)學(xué)習(xí)就能夠形成一個(gè)相互關(guān)聯(lián)、聯(lián)系密切的知識(shí)體系。從而達(dá)到融會(huì)貫通的效果。

1 機(jī)械“共振”現(xiàn)象概述

共振是物理學(xué)領(lǐng)域中一種十分常見的現(xiàn)象，同時(shí)也是一個(gè)專業(yè)術(shù)語(yǔ)，其主要是指一物理系統(tǒng)在特定頻率下，比其他頻率以更大的振幅做振動(dòng)的情形，而從常規(guī)意義上來(lái)講，這一共振現(xiàn)象基本都屬于機(jī)械“共振”。同時(shí)在高中物理教科書中，也同樣對(duì)機(jī)械“共振”現(xiàn)象做出了明確的定義，即受迫振動(dòng)振幅最大的現(xiàn)象，而受迫振動(dòng)則是指物體在周期性外力（驅(qū)動(dòng)力）的作用下所產(chǎn)生的振動(dòng)，這種振動(dòng)現(xiàn)象是相對(duì)于自有振動(dòng)而言的。在穩(wěn)定的情況下，受迫振動(dòng)的周期等同于驅(qū)動(dòng)力的周期，但與物體的固有周期無(wú)關(guān)，因而當(dāng)物體出現(xiàn)受迫振動(dòng)時(shí)，其振幅會(huì)先隨著驅(qū)動(dòng)力頻率的升高而不斷增大，在到達(dá)最大值后，則會(huì)隨著頻率的升高而縮小，而機(jī)械共振自然也就是指當(dāng)首破振動(dòng)的振幅達(dá)到最大值時(shí)的現(xiàn)象，同時(shí)也可以將機(jī)械共振看作是受迫振動(dòng)的一種特例。

2 高中物理知識(shí)中的機(jī)械“共振”現(xiàn)象

2.1 原子結(jié)構(gòu)中的共振

原子結(jié)構(gòu)中的共振現(xiàn)象主要是指能量吸收中的共振吸收形式，而在高中物理知識(shí)中，涉及這一問題的則是波爾原子模型。波爾的原子理論時(shí)是以能級(jí)假設(shè)、跳遷假設(shè)以及軌道量子化假設(shè)為基礎(chǔ)的，其中能級(jí)假設(shè)是指原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中，在這些狀態(tài)中原子是穩(wěn)定的，電子雖然繞核運(yùn)動(dòng)，但并不向外輻射能量；而跳遷假設(shè)則是指當(dāng)原子從一種定態(tài)躍遷到另一種定態(tài)時(shí)，會(huì)輻射或吸收一定頻率的光子。當(dāng)電子從高能態(tài)像低能態(tài)躍遷時(shí)為能量釋放，而從低能態(tài)向高能態(tài)躍遷則為能量吸收，能量吸收需要通過外來(lái)光子向核外電子的能量傳遞來(lái)實(shí)現(xiàn)，如光子頻率滿足電子躍遷的能量差，那么就會(huì)出現(xiàn)共振吸收的現(xiàn)象。

2.2 聲學(xué)中的共振

在聲學(xué)方面，共振現(xiàn)象又被稱為共鳴，簡(jiǎn)單來(lái)說就是當(dāng)物體在共振的情況下共同發(fā)出聲音，而共鳴現(xiàn)象則正是高中物理中的重要知識(shí)。高中物理中共鳴這一知識(shí)點(diǎn)可通過簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來(lái)進(jìn)行理解，即兩個(gè)頻率相同且?guī)в泄缠Q箱的音叉，之后用小槌打擊音叉A的叉股，在音叉A發(fā)聲后，再用手按住音叉A的叉股，使A停止發(fā)聲，這時(shí)我們可以發(fā)現(xiàn)，音叉B雖然未被敲打，但仍然發(fā)出了聲音。這主要是因?yàn)椋阂舨鍭的被敲時(shí)發(fā)生了振動(dòng)，并在空氣中激起聲波，而聲波有傳到音叉B，給音叉B以周期性的驅(qū)動(dòng)力，同時(shí)由于音叉A、B的固有頻率相同，符合產(chǎn)生共振的條件，因此B的振幅最大，自然也就能夠在不敲打音叉B的情況下使音叉B發(fā)出聲音，而這種現(xiàn)象正是共鳴現(xiàn)象，同時(shí)也可以看作是聲音中的共振現(xiàn)象。

2.3 電學(xué)中的共振

在高中物理的電學(xué)知識(shí)中，共振現(xiàn)象也同樣有所體現(xiàn)，例如在電磁波的發(fā)射與接收這一課程中，電磁波的接收過程中震蕩電路就會(huì)出現(xiàn)共振現(xiàn)象。一般來(lái)說，電磁波接收過程中的振蕩電路的狀態(tài)是完全不同的，而根據(jù)震蕩電路不同的狀態(tài)，其出現(xiàn)的振動(dòng)現(xiàn)象也完全不同。其中當(dāng)振蕩電路為非理想狀態(tài)且有電阻時(shí)，電阻會(huì)發(fā)熱并成為阻尼振動(dòng)；當(dāng)振蕩電路中有外加的周期性電動(dòng)勢(shì)作用時(shí)，震蕩電路振動(dòng)則會(huì)將成為受迫振動(dòng)；而當(dāng)外加電動(dòng)勢(shì)的頻率與電路自由振蕩的固有頻率ω相同時(shí)，接收電路中產(chǎn)生的振蕩電流最強(qiáng)，振幅也會(huì)達(dá)到最大值，而這種振動(dòng)現(xiàn)象自然也就被稱為電磁共振或電諧振，相當(dāng)于機(jī)械振動(dòng)中的共振。

3 機(jī)械“共振”現(xiàn)象在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用

在現(xiàn)實(shí)生活中，機(jī)械共振的應(yīng)用同樣是十分廣泛的。首先在軍事方面，信息通訊技術(shù)不發(fā)達(dá)的古代常常會(huì)利用共振現(xiàn)象來(lái)制作共鳴器，從而實(shí)現(xiàn)軍情預(yù)警，例如唐代的軍隊(duì)中普遍配備一種叫空胡鹿的行軍枕，這種行軍枕由皮革制成，枕頭的內(nèi)部能夠形成空穴，當(dāng)遠(yuǎn)處產(chǎn)生聲音時(shí)，聲音能夠通過地面?zhèn)鞑サ娇昭ǎ⒃诳昭ㄌ幃a(chǎn)生交混回響，這樣一來(lái)，敵人的動(dòng)向、遠(yuǎn)近、人數(shù)等就能夠通過空穴中的交混回響判斷出來(lái)，從而達(dá)到“凡人馬行在三十里外，東西南北皆響聞”的效果。另外，在建筑施工領(lǐng)域，共振現(xiàn)象的應(yīng)用同樣非常常見，例如當(dāng)建筑工人在澆灌混凝土的墻壁或地板時(shí)，為了提高質(zhì)量，常常會(huì)使用振蕩器進(jìn)行震蕩，從而是混凝土更加密實(shí)，而振蕩器恰恰是利用共振現(xiàn)象的原理進(jìn)行工作的。

4 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，機(jī)械共振現(xiàn)象在高中物理知識(shí)不僅局限于機(jī)械振動(dòng)知識(shí)，同時(shí)在原子結(jié)構(gòu)、光學(xué)、電學(xué)、聲學(xué)等不同領(lǐng)域的物理知識(shí)之中，我們?cè)趯W(xué)習(xí)物理知識(shí)時(shí)如果能夠?qū)⑵渎?lián)系起來(lái)，那么對(duì)知識(shí)點(diǎn)的深入分析與理解就能夠起到非常大的幫助。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2018-10-5