利用自制教具探究受迫振動(dòng)與共振

陳斯鈿 李德安

摘 要：受迫振動(dòng)與共振的演示實(shí)驗(yàn)是中學(xué)物理疑難實(shí)驗(yàn)之一，傳統(tǒng)教學(xué)中與該部分內(nèi)容有關(guān)的探究實(shí)驗(yàn)比較少，導(dǎo)致學(xué)習(xí)思路不夠連貫。針對(duì)該問題，本文設(shè)計(jì)了一系列的自制教具，旨在解決傳統(tǒng)演示實(shí)驗(yàn)的不足，為學(xué)生學(xué)習(xí)受迫振動(dòng)與共振提供一個(gè)更加科學(xué)、連貫的探究方案。

關(guān)鍵詞：自制教具；受迫振動(dòng)；共振；科學(xué)探究

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2018）10-0050-3

1 引 言

在中學(xué)物理教學(xué)中，受迫振動(dòng)和共振是十分重要的內(nèi)容。但其演示實(shí)驗(yàn)的方法和內(nèi)容不能令人滿意。筆者查閱了粵教版、人教版及其他一些教材，提供的演示實(shí)驗(yàn)裝置通常如圖1所示。

因此，筆者自制了一些教具，試圖改進(jìn)實(shí)驗(yàn)。介紹如下。

2 裝置原理及演示

2.1 “鋼條滑板”的制作與演示

學(xué)生在學(xué)習(xí)受迫振動(dòng)與共振之前，會(huì)存在一個(gè)錯(cuò)誤的前概念：受迫振動(dòng)的振幅與驅(qū)動(dòng)力大小有關(guān)。因此，在學(xué)習(xí)之前我們需要糾正學(xué)生錯(cuò)誤的前概念。為此，筆者特意設(shè)計(jì)了“鋼條滑板”作為導(dǎo)入實(shí)驗(yàn)。

“鋼條滑板”主要利用了不同長(zhǎng)度的鋼條具有不同固有頻率的原理。選用20 cm×30 cm的木板一塊，在底部安裝上4個(gè)橡膠滑輪，便組成了滑板底部。選用自行車的輻條作為擺動(dòng)材料，其優(yōu)點(diǎn)有兩點(diǎn)：一是輻條為鋼制材料，具有較強(qiáng)的韌性，在劇烈的擺動(dòng)下不容易斷裂；二是輻條一端有螺帽，后期可以根據(jù)教學(xué)需求更換不同長(zhǎng)度的輻條。在木板上等距地打出三個(gè)小孔，把螺帽嵌入小孔中，將三根輻條剪成長(zhǎng)短不同的長(zhǎng)度后旋進(jìn)螺帽，最后在輻條的上端加上配重，以減輕輻條擺動(dòng)時(shí)所需驅(qū)動(dòng)力的大小（如圖2）。

在課堂演示時(shí)，可以邀請(qǐng)學(xué)生上臺(tái)挑戰(zhàn)“讓三根鋼條的振幅同時(shí)達(dá)到最大”，學(xué)生受錯(cuò)誤前概念的影響，會(huì)用盡全力推動(dòng)滑板。但很明顯，由于三根鋼條的固有頻率并不相同，導(dǎo)致鋼條的振幅不可能同時(shí)達(dá)到最大。學(xué)生在挑戰(zhàn)失敗后會(huì)激發(fā)內(nèi)心的好奇去追尋答案，此時(shí)筆者重新演示一遍教具：讓學(xué)生以最長(zhǎng)的鋼條作為觀察對(duì)象，先用較小的頻率推動(dòng)滑板，發(fā)現(xiàn)鋼條的振幅非常大，再用較大的頻率推動(dòng)滑板，發(fā)現(xiàn)鋼條的振幅變得非常?。ㄈ鐖D3），由此便可以推導(dǎo)出受迫振動(dòng)的振幅其實(shí)是與驅(qū)動(dòng)力頻率有關(guān)的，自然而然地便糾正了學(xué)生錯(cuò)誤的前概念。

2.2 “受迫振動(dòng)演示儀”的制作與演示

筆者參考了人教版教材提供的演示實(shí)驗(yàn)制作了該教具，查閱了相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)有利用單片機(jī)來顯示驅(qū)動(dòng)力頻率的創(chuàng)新設(shè)計(jì)[4]。盡管該設(shè)計(jì)可以一步到位探究得出共振的產(chǎn)生條件，但考慮到現(xiàn)階段大部分教師很少接觸到單片機(jī)，并且還要進(jìn)行編程，對(duì)老師的能力要求較高，因此，筆者選擇用觀察電壓的大小來進(jìn)行探究。

如圖4所示，將彈簧與砝碼連接起來作為彈簧振子，用細(xì)線將彈簧的另一端與偏心輪固定住，再將偏心輪固定在電機(jī)上。把數(shù)顯表與電機(jī)進(jìn)行并聯(lián)，用以顯示電機(jī)的電壓值。由于彈簧振子在達(dá)到共振時(shí)容易出現(xiàn)擺動(dòng)，因此可用直徑稍大于砝碼直徑的亞克力管套住彈簧振子，并固定在木架底座上。

從零開始增加電壓，可以發(fā)現(xiàn)彈簧振子的振幅不斷增大，當(dāng)電壓達(dá)到7.9 V時(shí)，振幅達(dá)到最大，如果繼續(xù)增大電壓，可以發(fā)現(xiàn)振幅開始迅速減小，最后又穩(wěn)定在初始位置做振動(dòng)；此時(shí)開始減小電壓，發(fā)現(xiàn)振幅又不斷增大，當(dāng)電壓減小到7.9 V時(shí)，振幅再次達(dá)到最大，此時(shí)繼續(xù)減小電壓，可以發(fā)現(xiàn)振幅又開始減小，最后穩(wěn)定在初始位置做振動(dòng)。

至此，通過該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以總結(jié)出，當(dāng)電壓達(dá)到某一數(shù)值時(shí)振幅就會(huì)達(dá)到最大。由于改變電機(jī)的電壓其實(shí)是在改變驅(qū)動(dòng)力的頻率，所以當(dāng)電壓達(dá)到某一值時(shí)振幅就會(huì)達(dá)到最大，其實(shí)就是當(dāng)驅(qū)動(dòng)力的頻率達(dá)到某一頻率時(shí)振幅就會(huì)達(dá)到最大。學(xué)生只需要進(jìn)一步探究得出“當(dāng)驅(qū)動(dòng)力的頻率等于哪個(gè)頻率時(shí)振幅就會(huì)達(dá)到最大”就能總結(jié)得出共振的產(chǎn)生條件。因此，通過該教具的演示可以順利地將學(xué)生的關(guān)注點(diǎn)轉(zhuǎn)移到“當(dāng)驅(qū)動(dòng)力的頻率等于哪個(gè)頻率時(shí)振幅就會(huì)達(dá)到最大”的問題上，為下一步利用“共振擺”進(jìn)行探究做鋪墊。

2.3 “共振擺”的制作與演示

共振擺的制作較為簡(jiǎn)單，僅需要在木架上綁一根繃緊的線，在線上掛上幾組長(zhǎng)度相同的擺球即可。如圖5所示，當(dāng)擺動(dòng)紅球時(shí)，紅球通過繃緊的繩子給其他幾個(gè)擺球提供了一個(gè)驅(qū)動(dòng)力，由于綠球和紅球的擺長(zhǎng)相同，所以紅球擺動(dòng)時(shí)所提供的驅(qū)動(dòng)力頻率等于綠球的固有頻率，此時(shí)綠球擺動(dòng)的振幅達(dá)到最大。由此可以得出，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力的頻率等于固有頻率時(shí)，受迫振動(dòng)的振幅就會(huì)達(dá)到最大，即共振。

但教材在該實(shí)驗(yàn)探究之后便直接給出共振曲線（如圖6），筆者認(rèn)為該部分的處理比較牽強(qiáng)，雖然通過共振擺確實(shí)能夠探究出受迫振動(dòng)振幅與驅(qū)動(dòng)力頻率的關(guān)系，但共振曲線所描述的是一個(gè)連續(xù)的物理現(xiàn)象，學(xué)生在實(shí)際探究中很難通過觀察某一個(gè)擺球的振幅便能總結(jié)得出共振曲線。此時(shí)，利用“受迫振動(dòng)演示儀”便可以解決這個(gè)問題，在從零開始不斷增加電壓的過程中，學(xué)生可以很清晰地觀察出，隨著驅(qū)動(dòng)力頻率的增加受迫振動(dòng)的振幅不斷增大，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力的頻率等于彈簧振子的固有頻率時(shí)，振幅達(dá)到最大，隨后繼續(xù)增加驅(qū)動(dòng)力的頻率，振幅又迅速減小。因此，充分利用“受迫振動(dòng)演示儀”，不僅可以探究得出共振的產(chǎn)生條件，還能探究得出共振曲線，大大提高了自制教具的靈活性和利用率。

3 結(jié) 語

新課程標(biāo)準(zhǔn)提出了核心素養(yǎng)的概念，對(duì)學(xué)生的科學(xué)探究能力提出了更高的要求，而科學(xué)探究能力的培養(yǎng)應(yīng)該滲透到物理教學(xué)的整個(gè)過程中。本文所介紹的系列自制教具，就是旨在讓學(xué)生通過游戲挑戰(zhàn)糾正錯(cuò)誤的前概念，進(jìn)而引入新課的學(xué)習(xí)，隨后將探究的問題分解為幾個(gè)小的探究問題，再通過對(duì)系列實(shí)驗(yàn)的探究循序漸進(jìn)地歸納總結(jié)得出物理規(guī)律，經(jīng)歷這樣一個(gè)過程不僅提高了學(xué)生的科學(xué)探究能力，也培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與精神。同時(shí)，我們也應(yīng)該認(rèn)識(shí)到自制教具在物理教學(xué)中的重要作用，利用自制教具可以彌補(bǔ)現(xiàn)有物理實(shí)驗(yàn)儀器的不足，并且通過自制教具的演示可以幫助學(xué)生突破教學(xué)重難點(diǎn)，讓學(xué)生真正融入知識(shí)的探究過程當(dāng)中。

參考文獻(xiàn)：

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