人民教育出版社出版的現行高中物理教科書選修3～5中《共振的演示》實驗, 演示時存在很多問題:擺長相等的球振動較大, 各擺球步調不一, 難以穩定, 操作困難, 教師很難講解。而且各擺的振幅也在不停地變化, 根本無法比較各擺振幅的大小。課本上另一個演示共振實驗的儀器也很不明顯, 它是由一個帶曲軸的搖柄和豎懸彈簧振子組成。當勻速搖轉搖柄時, 即有一周期性的向上、向下的力作用于彈簧振子, 遂使之作受迫振動。操作起來十分困難, 彈簧振子并不乖乖地上下振動, 而是左右前后亂蹦亂跳, 根本觀察不到什么共振現象。
1 創新改進方案一:改用長短不一的鋸條來演示共振實驗
能不能另僻蹊徑呢?我利用了廢舊的小電動機和幾根長短不一的鋸條 (頻率不同) 對共振演示實驗進行了創新改進。
1.1 原理
小直流電動機轉動時會給各長短不一的鋸條振子 (固有頻率不同) 提供穩定且連續變化的驅動頻率, 實驗時調節滑動變阻器的阻值大小, 改變了電動機的電壓, 來改變電動機轉動的轉速, 從而達到了改變驅動力的頻率, 當滿足f驅=f固時, 振幅最大發生了共振 (圖1) , 對于由同種材料制成的、厚度和寬度相同但長度不同的鋸條來說, 它的固有頻率僅與長度有關, 長度愈短, 固有頻率愈高。因此, 當電動機的轉速由零逐漸增大時, 最長的鋸條先發生共振, 然后長度較短些的鋸條發生共振……以此類推。
1.2 制作
1.2.1 器材的選定
在舊家用電器 (復印機、電動剃須刀、掃描儀、摩托車、電腦排風扇) 上選取一個直流電動機、一般為直流12V, 與一個最大阻值為5歐姆的滑動變阻器, 學生電源 (選用直流6伏) 組成閉合的串聯電路, 鋸條應至少準備4～5條, 以便選用, 其一端用紅色、綠色或粉色的綢緞纏繞, 這樣在振動時鋸條左右搖擺, 便于學生觀察。把這些鋸條按照從長到短依次用鏍釘固定到一長約40cm, 寬為6cm, 厚4cm的方木條上, 其下安裝一韌度較大的白鐵皮, 以便左右搖擺。
1.2.2 底座的安裝
選用一塊結實的木板, 長度約60cm、寬度約15cm、厚度約為12mm, 在其上打上幾個小孔用以固定電動機。在電動機上安裝一偏心輪, 傳動桿的一端與偏心輪相連接, 另一端與方木條上的帶孔螺釘相連。
1.3 操作要領
把電動機、滑動變阻器、電源串聯連接好電路, 把滑動變阻器的阻值調到最大, 合上開關, 電動機開始轉動, 觀察到各個鋸條均跟著發生振動, 移動滑動變阻的滑片, 減小電阻時, 當電動機轉速達到某值時, 其中一片鋸條會發生劇烈振動, 振幅達到最大;當電動機的轉速由零逐漸增大時, 鋸條會按從長到短的順序相繼地發生劇烈振動。
當電動機產生的驅動力的頻率遠離鋸條的固有頻率時, 鋸條振動的振幅很小;當驅動力的頻率與鋸條的固有頻率接近或相等時, 該鋸條就會發生共振, 它的振幅將會迅速增大到非?？捎^的程度。各鋸條好像受遙控器遙控一樣依次先后振動起來, 且振動幅度越來越大, 如圖2所示。
2 方案二:改用四個不同的小球來演示共振實驗
該實驗設計思想是用四個大小相同、質量不同的鐵球、玻璃球、木球、塑料球來演示共振現象。因為每個小球的質量不同, 其固有頻率也不同, 實驗時也是用通過改變直流電動機轉動時的轉速來改變主振源的驅動頻率。但不用傳動桿, 把直流電動機直接固定在放小球的底座上, 為了增加電動機轉動時的振幅, 就在電動機上安裝一質量相對較大的偏心輪。實驗時調節滑動變阻器的阻值, 會連續改變電動機的轉速, 當某一小球的固有頻率與電動機的轉動頻率相同時, 該小球就發生了共振, 跳動劇烈, 振幅達到最大, 其余小球的振動不顯。實驗時, 電動機的轉速由零逐漸增大時, 先是質量最大的鐵球先發生共振, 然后質量較小些的玻璃球, 木球, 塑料球相繼發生共振。
2.1 制作
取一長50cm、寬8cm、厚3cm的長方形木板, 每隔3cm依次打四個深1.5cm的圓形小孔, 從實驗室取四支直徑略大于小球直徑的試管或玻璃管, 把四個球分別按質量大小依次倒扣在長方形木板的圓孔內, 用固體玻璃膠將試管與木板粘牢, 制作2根彈性較好、勁度系數不是很大的彈簧, 放在長方形木板一端的下面, 彈簧下端與底座相連, 底座仍選用一塊結實的木板, 長度約60cm、寬度約15cm、厚度約為12mm, 把直流電動機直接固定在長方形木板的一端, 電動機的電源選用直流12V, 與變阻范圍為0～5毆姆的滑動變阻相串聯連接。如圖3。
2.2 演示
閉合開關, 改變滑動變阻器的阻值, 隨著電動機轉速的改變, 四個小球依次從鐵球、玻璃球、木球、塑料球發生了共振, 當一個小球發生共振劇烈振動的同時, 其他三個小球的振動卻非常微弱, 幾乎不跳動, 只隨著電機的轉動作輕微的抖動。學生們在觀察了這個演示實驗后, 大開眼界, 在增進知識的同時, 加深了對物體能發生共振條件的理解。
2.3 進一步改進
為了增強本實驗的可視性和趣味性, 制作時可在每個小球上絆一個會發光的壓力發光傳感器, 該傳感器可從小孩玩的玩具上選取, 這樣發生共振的小球在劇烈跳躍的同時一邊發光, 一邊跳動, 如下圖4所示, 演示效果將更佳。
以上兩個共振演示實驗通過改裝后, 演示時穩定性大大增強, 可視性大, 全班同學都能看清、操作方便、成功率高、共振效果顯著。實驗時只要改變滑動變阻器的阻值就可以改變電動機的轉速, 實現獲得連續變化的驅動力頻率, 滿足了與不同固有頻率的鋸條或小球依次共振的要求。實驗原理清楚明白、通俗易懂、設計新穎、經濟實用, 制作簡單, 可以讓學生上臺參與演示, 親身感受獲得共振時的快感, 學生終身難忘, 課堂教學效果明顯, 具有很大的應用價值和推廣價值。
摘要：文章針對現行高中物理教科書中關于共振的兩個演示實驗存在的問題, 提出兩種教學創新改進方案, 旨在使實驗原理清楚明白, 可以讓學生上臺參與演示, 提高課堂教學效果。
關鍵詞：共振,實驗,創新