人民教育出版社出版的现行高中物理教科书选修3～5中《共振的演示》实验, 演示时存在很多问题:摆长相等的球振动较大, 各摆球步调不一, 难以稳定, 操作困难, 教师很难讲解。而且各摆的振幅也在不停地变化, 根本无法比较各摆振幅的大小。课本上另一个演示共振实验的仪器也很不明显, 它是由一个带曲轴的摇柄和竖悬弹簧振子组成。当匀速摇转摇柄时, 即有一周期性的向上、向下的力作用于弹簧振子, 遂使之作受迫振动。操作起来十分困难, 弹簧振子并不乖乖地上下振动, 而是左右前后乱蹦乱跳, 根本观察不到什么共振现象。
1 创新改进方案一:改用长短不一的锯条来演示共振实验
能不能另僻蹊径呢?我利用了废旧的小电动机和几根长短不一的锯条 (频率不同) 对共振演示实验进行了创新改进。
1.1 原理
小直流电动机转动时会给各长短不一的锯条振子 (固有频率不同) 提供稳定且连续变化的驱动频率, 实验时调节滑动变阻器的阻值大小, 改变了电动机的电压, 来改变电动机转动的转速, 从而达到了改变驱动力的频率, 当满足f驱=f固时, 振幅最大发生了共振 (图1) , 对于由同种材料制成的、厚度和宽度相同但长度不同的锯条来说, 它的固有频率仅与长度有关, 长度愈短, 固有频率愈高。因此, 当电动机的转速由零逐渐增大时, 最长的锯条先发生共振, 然后长度较短些的锯条发生共振……以此类推。
1.2 制作
1.2.1 器材的选定
在旧家用电器 (复印机、电动剃须刀、扫描仪、摩托车、电脑排风扇) 上选取一个直流电动机、一般为直流12V, 与一个最大阻值为5欧姆的滑动变阻器, 学生电源 (选用直流6伏) 组成闭合的串联电路, 锯条应至少准备4～5条, 以便选用, 其一端用红色、绿色或粉色的绸缎缠绕, 这样在振动时锯条左右摇摆, 便于学生观察。把这些锯条按照从长到短依次用镙钉固定到一长约40cm, 宽为6cm, 厚4cm的方木条上, 其下安装一韧度较大的白铁皮, 以便左右摇摆。
1.2.2 底座的安装
选用一块结实的木板, 长度约60cm、宽度约15cm、厚度约为12mm, 在其上打上几个小孔用以固定电动机。在电动机上安装一偏心轮, 传动杆的一端与偏心轮相连接, 另一端与方木条上的带孔螺钉相连。
1.3 操作要领
把电动机、滑动变阻器、电源串联连接好电路, 把滑动变阻器的阻值调到最大, 合上开关, 电动机开始转动, 观察到各个锯条均跟着发生振动, 移动滑动变阻的滑片, 减小电阻时, 当电动机转速达到某值时, 其中一片锯条会发生剧烈振动, 振幅达到最大;当电动机的转速由零逐渐增大时, 锯条会按从长到短的顺序相继地发生剧烈振动。
当电动机产生的驱动力的频率远离锯条的固有频率时, 锯条振动的振幅很小;当驱动力的频率与锯条的固有频率接近或相等时, 该锯条就会发生共振, 它的振幅将会迅速增大到非常可观的程度。各锯条好像受遥控器遥控一样依次先后振动起来, 且振动幅度越来越大, 如图2所示。
2 方案二:改用四个不同的小球来演示共振实验
该实验设计思想是用四个大小相同、质量不同的铁球、玻璃球、木球、塑料球来演示共振现象。因为每个小球的质量不同, 其固有频率也不同, 实验时也是用通过改变直流电动机转动时的转速来改变主振源的驱动频率。但不用传动杆, 把直流电动机直接固定在放小球的底座上, 为了增加电动机转动时的振幅, 就在电动机上安装一质量相对较大的偏心轮。实验时调节滑动变阻器的阻值, 会连续改变电动机的转速, 当某一小球的固有频率与电动机的转动频率相同时, 该小球就发生了共振, 跳动剧烈, 振幅达到最大, 其余小球的振动不显。实验时, 电动机的转速由零逐渐增大时, 先是质量最大的铁球先发生共振, 然后质量较小些的玻璃球, 木球, 塑料球相继发生共振。
2.1 制作
取一长50cm、宽8cm、厚3cm的长方形木板, 每隔3cm依次打四个深1.5cm的圆形小孔, 从实验室取四支直径略大于小球直径的试管或玻璃管, 把四个球分别按质量大小依次倒扣在长方形木板的圆孔内, 用固体玻璃胶将试管与木板粘牢, 制作2根弹性较好、劲度系数不是很大的弹簧, 放在长方形木板一端的下面, 弹簧下端与底座相连, 底座仍选用一块结实的木板, 长度约60cm、宽度约15cm、厚度约为12mm, 把直流电动机直接固定在长方形木板的一端, 电动机的电源选用直流12V, 与变阻范围为0～5殴姆的滑动变阻相串联连接。如图3。
2.2 演示
闭合开关, 改变滑动变阻器的阻值, 随着电动机转速的改变, 四个小球依次从铁球、玻璃球、木球、塑料球发生了共振, 当一个小球发生共振剧烈振动的同时, 其他三个小球的振动却非常微弱, 几乎不跳动, 只随着电机的转动作轻微的抖动。学生们在观察了这个演示实验后, 大开眼界, 在增进知识的同时, 加深了对物体能发生共振条件的理解。
2.3 进一步改进
为了增强本实验的可视性和趣味性, 制作时可在每个小球上绊一个会发光的压力发光传感器, 该传感器可从小孩玩的玩具上选取, 这样发生共振的小球在剧烈跳跃的同时一边发光, 一边跳动, 如下图4所示, 演示效果将更佳。
以上两个共振演示实验通过改装后, 演示时稳定性大大增强, 可视性大, 全班同学都能看清、操作方便、成功率高、共振效果显著。实验时只要改变滑动变阻器的阻值就可以改变电动机的转速, 实现获得连续变化的驱动力频率, 满足了与不同固有频率的锯条或小球依次共振的要求。实验原理清楚明白、通俗易懂、设计新颖、经济实用, 制作简单, 可以让学生上台参与演示, 亲身感受获得共振时的快感, 学生终身难忘, 课堂教学效果明显, 具有很大的应用价值和推广价值。
摘要：文章针对现行高中物理教科书中关于共振的两个演示实验存在的问题, 提出两种教学创新改进方案, 旨在使实验原理清楚明白, 可以让学生上台参与演示, 提高课堂教学效果。
关键词：共振,实验,创新