受迫振動演示裝置的改進(jìn)設(shè)計(jì)

吳清理

摘? ?要：“生活中的振動”選自于魯科版高中物理選修，其中的受迫振動的演示實(shí)驗(yàn)很吸引學(xué)生的眼球。但在做受迫振動的實(shí)驗(yàn)演示時(shí)，彈簧振子卻經(jīng)常不聽話，總是前后左右亂蹦亂跳。針對這個(gè)演示裝置，進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)設(shè)計(jì)，讓彈簧振子能聽話，操作更加靈活，演示效果更加理想。

關(guān)鍵詞：受迫振動；彈簧振子；固有頻率

“生活中的振動”這節(jié)課從生活中的普通振動入手，先引導(dǎo)得出理想的簡諧運(yùn)動的運(yùn)動規(guī)律后，再聯(lián)系生活實(shí)際，介紹一種普遍存在的機(jī)械振動——受迫振動，讓學(xué)生明白生活中振動的多樣性。這部分內(nèi)容的演示實(shí)驗(yàn)很多，形象直觀，能讓學(xué)生感性地理解與掌握其特性。

但在做受迫振動的實(shí)驗(yàn)演示時(shí)，彈簧振子經(jīng)常不聽話，總是前后左右亂蹦亂跳，實(shí)驗(yàn)效果經(jīng)常不很理想。普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）指出，高中物理課程應(yīng)在義務(wù)教育的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成和發(fā)展[ 1 ]。這就要求在科學(xué)探究中，圍繞著真實(shí)生活問題，要引導(dǎo)學(xué)生懂得觀察，善于分析，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力。于是針對上述作受迫振動時(shí)出現(xiàn)的一些問題，本人對演示裝置進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)設(shè)計(jì)，讓彈簧振子能聽話，操作更加靈活，學(xué)生能更好地獲得感性認(rèn)識，加深理解。

1 問題的提出

1.1 原受迫振動演示儀的構(gòu)造及演示結(jié)果

（1）原演示儀的構(gòu)造如圖1所示

（2）演示操作

教師轉(zhuǎn)動圖1中的轉(zhuǎn)動柄，通過鐵桿帶動彈簧振子振動，此時(shí)的振動叫受迫振動；也可以不轉(zhuǎn)動手柄，用手讓彈簧振子偏離平衡位置，則彈簧振子做自由振動（固有振動）。通過觀察計(jì)算就可以得出彈簧振子做自由振動時(shí)的頻率f固與做受迫振動時(shí)的頻率f迫的關(guān)系。

（3）演示結(jié)果

彈簧振子做受迫振動時(shí)的頻率由驅(qū)動力的頻率（轉(zhuǎn)動柄的轉(zhuǎn)動頻率）決定，而與自由振動的頻率無關(guān)，即f迫=f驅(qū)，與f固無關(guān)。

1.2? 原演示儀在演示過程中存在的問題

演示儀的構(gòu)造雖簡單卻設(shè)計(jì)精妙，原理讓人一看就明白，可以很好地突破教學(xué)難點(diǎn)，但由于實(shí)驗(yàn)儀器系統(tǒng)誤差的限制，演示中常出現(xiàn)下面幾個(gè)問題：

（1）手柄與鐵桿通過螺絲旋緊而連在一起，當(dāng)用手轉(zhuǎn)動手柄時(shí)，螺絲就容易松動，轉(zhuǎn)動幾下，手柄容易脫落，造成實(shí)驗(yàn)中斷；

（2）彈簧與振子的選擇可能不夠恰當(dāng)，在轉(zhuǎn)動柄的驅(qū)動下受迫振動效果不是很好，受迫振動效果不明顯；

（3）用手搖動轉(zhuǎn)動柄時(shí)，因支架較輕，力量控制不好，容易出現(xiàn)前后晃動，影響振子的振動，使得演示不穩(wěn)定。且手動的周期性控制是人為的，不夠均勻。

由于上述情況的偶然出現(xiàn)，致使為了得到演示效果會浪費(fèi)較多時(shí)間，會影響課堂教學(xué)的效益。如果能進(jìn)一步提高儀器的精確性，就能更吸引學(xué)生的注意力了，于是本人進(jìn)行了如下的改進(jìn)。

2? 問題的解決

2.1? 設(shè)想的提出

問題1：手柄脫落

設(shè)想對策：用電動機(jī)帶動傳送皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)一步帶動手柄轉(zhuǎn)動。

由于直流電動機(jī)是勻速轉(zhuǎn)動的，所以產(chǎn)生的驅(qū)動力是周期性的，相對于手的轉(zhuǎn)動，更有說服力。但也正是直流電動機(jī)無法自身進(jìn)行變速，所以又增加了一臺變速器，這樣可以自由改變驅(qū)動力的頻率，使用起來更為方便了。

問題2：受迫振動不明顯

設(shè)想對策：適當(dāng)選擇彈簧振子，不斷嘗試使效果達(dá)最明顯。

問題3：計(jì)算頻率時(shí)是用眼睛盯著計(jì)算全振動的次數(shù)，費(fèi)力又容易出錯(cuò)。

設(shè)想對策：利用光電計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，精確又省事。

2.2? 儀器改造過程及改造后的儀器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（1）選擇適當(dāng)?shù)膹椈烧褡邮顷P(guān)鍵，經(jīng)過千挑萬選，發(fā)現(xiàn)彈簧振子的軟硬程度，質(zhì)量對實(shí)驗(yàn)效果均有影響，太軟、太輕則易受外界的影響，太硬、太重則不易被帶動做受迫振動，最終選擇的彈簧振子各系數(shù)見表1。

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析選擇綜合考慮，采用勁度系數(shù)為 5 N/m 的彈簧，及重力為 0.3 N系于彈簧下端的小球進(jìn)行操作實(shí)驗(yàn)時(shí)，效果較為理想。

（2）選擇電動機(jī)及變速器

在選擇電動機(jī)的轉(zhuǎn)速前應(yīng)該先考慮實(shí)驗(yàn)所用彈簧振子的固有頻率，多次測量結(jié)果見表2。

（3）使用光電計(jì)數(shù)器記錄下全振動的次數(shù)

光電計(jì)數(shù)器是通過紅外線發(fā)射和接收進(jìn)行計(jì)數(shù)，有直射式和反射式兩種，通常用于流水線的工件計(jì)數(shù)。直射式的發(fā)射、接收分體，發(fā)射器和接收器分別置于流水線兩邊，中間沒有阻擋時(shí)發(fā)射器的紅外線射到接收器，接收器接收到發(fā)射來的紅外線，經(jīng)反相處理使之沒有信號輸出，有工件經(jīng)過時(shí)擋住光路，接收器失去紅外線信號便輸出一個(gè)脈沖信號到運(yùn)算累加器進(jìn)行計(jì)數(shù)。反射式是發(fā)射、接收同體，置于流水線一邊，前面流水線上沒有東西時(shí)，發(fā)射器發(fā)出的紅外線直接射出沒有反射，接收器沒有接收到反射來的紅外線信號沒有輸出，有工件經(jīng)過時(shí)擋住光路使發(fā)射器發(fā)出的紅外線信號反射到接收器，接收器接收到反射來的紅外線信號便輸出一個(gè)脈沖信號到運(yùn)算累加器進(jìn)行計(jì)數(shù)。

本實(shí)驗(yàn)所用計(jì)數(shù)器是直射式，用以測出彈簧全振動次數(shù)以及驅(qū)動力頻率。原理：一個(gè)光信號發(fā)送器與光信號接收器組成，安在彈簧振子兩側(cè)，發(fā)送器送出光信號每被小球遮擋一次計(jì)數(shù)一次并在顯示屏上顯出讀數(shù)，每遮擋兩次算一次全振動。同時(shí)在驅(qū)動力裝置上面也有計(jì)數(shù)器記錄驅(qū)動力裝置轉(zhuǎn)動的次數(shù)，比較兩個(gè)計(jì)數(shù)器的數(shù)值關(guān)系，就可得出兩者的關(guān)系。

3 改進(jìn)后的受迫振動演示裝置

3.1? 改進(jìn)后演示裝置的構(gòu)造如圖2所示。

3.2? 改進(jìn)后受迫振動的演示

（1）實(shí)驗(yàn)操作過程

（2）實(shí)驗(yàn)記錄見表3

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)論

需要說明的是，轉(zhuǎn)動桿 5 帶動彈簧振子 12 的受迫振動，是通過旋轉(zhuǎn)環(huán) 10 與固定筒 8 實(shí)現(xiàn)的，具體為：轉(zhuǎn)動桿 5 在電機(jī) 7 作用下轉(zhuǎn)動，并帶動套于其上的旋轉(zhuǎn)環(huán) 10 上下振 動，由此來帶動與旋轉(zhuǎn)環(huán) 10 相連的固定筒 8 上的彈簧 11，從而帶動彈簧振子 12 做受迫振動。

4? 創(chuàng)新點(diǎn)

本儀器的改進(jìn)設(shè)計(jì)是在不改變原有演示儀器原理的基礎(chǔ)上，進(jìn)行改進(jìn)完善，把原有的演示裝置中手動部分改成自動，采用直流電動機(jī)對其產(chǎn)生周期性的驅(qū)動力，采用變速器來改變驅(qū)動力的頻率，克服了一些人為因素造成的誤差；再加入了光電計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)，使得計(jì)數(shù)更為方便、準(zhǔn)確。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置使得實(shí)驗(yàn)過程操作更為簡便，受迫振動效果理想，實(shí)驗(yàn)結(jié)果精確。本實(shí)驗(yàn)裝置已向國家知識產(chǎn)權(quán)局申請實(shí)用新型專利，并獲得了授權(quán)。

5? 進(jìn)一步改進(jìn)的地方

在改造儀器裝置的過程中對于電動機(jī)的加入，效果相當(dāng)好，所選擇的彈簧振子也較合適，但對光電計(jì)數(shù)器的選擇，在改造過程中必須加大遮光的距離，由于本次所采用的計(jì)數(shù)器遮光距離大約是4 cm左右，而由于振動需要，實(shí)際距離是6 cm左右，因此在小球振動的過程中遮光有點(diǎn)不夠，偶爾會出現(xiàn)漏記現(xiàn)象，這也是本次改造中最為難的地方。由于本次實(shí)驗(yàn)用品均來自實(shí)驗(yàn)室，沒有特意定做，如果能找到遮光有效距離范圍6 cm左右的光電計(jì)數(shù)器，估計(jì)效果將會更理想。另外今后還考慮把計(jì)數(shù)器記錄的位數(shù)設(shè)計(jì)達(dá)到三位數(shù)，這樣測量的時(shí)間將可以更長，實(shí)驗(yàn)效果將更準(zhǔn)確。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020：5.