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        自制共振實(shí)驗(yàn)演示儀

        2021-03-21 23:08:05陳劍峰
        物理教學(xué)探討 2021年10期
        關(guān)鍵詞:固有頻率

        陳劍峰

        摘? ?要:共振現(xiàn)象是高中物理教學(xué)的難點(diǎn)之一。文章利用光電門傳感器測量直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)頻率與彩球振子的固有頻率,不斷改變驅(qū)動(dòng)頻率,產(chǎn)生共振現(xiàn)象,研究共振時(shí)驅(qū)動(dòng)頻率與固有頻率的關(guān)系。

        關(guān)鍵詞:共振現(xiàn)象;光電門傳感器;驅(qū)動(dòng)頻率;固有頻率;共振條件

        中圖分類號:G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A ? ? 文章編號:1003-6148(2021)10-0053-2

        共振現(xiàn)象是高中物理教學(xué)的難點(diǎn),教材中的共振擺球和手搖式共振儀實(shí)驗(yàn)只能演示共振現(xiàn)象[1],不能定量顯示振子的固有頻率,無法實(shí)時(shí)顯示驅(qū)動(dòng)頻率,強(qiáng)行給出當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率等于固有頻率時(shí)發(fā)生共振,學(xué)生對該結(jié)論非常困惑,只能強(qiáng)行記憶,效果差。

        1? ? 設(shè)計(jì)思路

        采用可調(diào)速的直線電機(jī)更穩(wěn)定地驅(qū)動(dòng),通過光電門測量驅(qū)動(dòng)頻率;用帶桿的彩球制作振子,固有頻率可通過光電門測量;通過控制固定連桿位置(球桿的長度)來改變振子的固有頻率多次實(shí)驗(yàn)。

        2? ? 制作過程

        2.1? ? 制作材料

        有機(jī)玻璃板、抽屜導(dǎo)軌、鉆夾(0.3~2.5 mm)、彈性圓鋼條、直線電機(jī)、可調(diào)壓電源、彩球、小硅膠塞、光電門傳感器4個(gè)(含轉(zhuǎn)接頭)、采集器、計(jì)算機(jī)等。

        2.2? ? 制作說明

        2.2.1? ? 測驅(qū)動(dòng)頻率結(jié)構(gòu)

        上下板設(shè)計(jì)如圖1、圖2所示。

        上板安裝擋光片,利用固定在下板的光電門傳感器測量驅(qū)動(dòng)頻率(周期)。

        2.2.2? ? 振子的制作

        將3個(gè)輕質(zhì)彩球沿直徑打穿,兩端各壓入軟膠塞,把長度為50 cm、直徑為1.8 mm的彈性圓鋼條插入軟膠塞,做成3個(gè)帶桿小球作為振子,彈性圓鋼條穿過鉆夾孔,鎖緊固定,可任意調(diào)節(jié)桿的長度多次實(shí)驗(yàn)(裝置置于無蓋木箱上)。

        2.2.3? ? 測固有頻率結(jié)構(gòu)

        將3個(gè)光電門傳感器并排組合,固定在L形支架上,使彈性圓鋼條剛好處于光電門的正中間(剛好在擋光孔處),分別撥動(dòng)振子,可測量每個(gè)振子的固有頻率。

        2.2.4? ? 專用軟件設(shè)計(jì)

        1通道實(shí)時(shí)采集驅(qū)動(dòng)周期,2、3和4通道分別采集三個(gè)振子的固有周期,根據(jù)f=1/T,實(shí)時(shí)顯示驅(qū)動(dòng)頻率值和三個(gè)振子的固有頻率值。為了方便觀察,頻率顯示數(shù)字盡量設(shè)計(jì)大點(diǎn),2、3和4通道數(shù)據(jù)穩(wěn)定時(shí)可將固有頻率數(shù)值鎖定。

        2.3? ? 裝置實(shí)物圖(圖3)

        3? ? 實(shí)驗(yàn)過程

        3.1? ? 實(shí)驗(yàn)方案

        3.2? ? 實(shí)驗(yàn)步驟

        (1)組裝好儀器,打開軟件,點(diǎn)擊“連接設(shè)備”;

        (6)可不斷減小驅(qū)動(dòng)頻率或改變振子的固有頻率(改變桿的有效長度)重復(fù)實(shí)驗(yàn);

        (7)分析得出結(jié)論。

        3.3? ? 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

        實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示,不同驅(qū)動(dòng)頻率對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖4、圖5、圖6所示。

        3.4? ? 結(jié)? 論

        物體受迫振動(dòng)時(shí),當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率與物體固有頻率相等時(shí),受迫振動(dòng)的振幅達(dá)到最大,即共振。驅(qū)動(dòng)頻率與物體固有頻率相差越多,受迫振動(dòng)的振幅越小[2]。

        4? ? 結(jié)束語

        通過直線電機(jī)驅(qū)動(dòng),提供穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)頻率,即能演示明顯的共振現(xiàn)象,三球?qū)Ρ瓤梢援a(chǎn)生很強(qiáng)烈的視覺沖擊。通過光電門傳感器測量固有頻率和驅(qū)動(dòng)頻率,演示共振時(shí)驅(qū)動(dòng)頻率與固有頻率的定量關(guān)系。通過調(diào)壓來改變驅(qū)動(dòng)頻率,同時(shí)觀察振子振幅的變化情況,得到“共振曲線”的變化趨勢。還可以通過調(diào)節(jié)桿的長度改變固有頻率,多次驗(yàn)證共振的條件,有效地突破教學(xué)重難點(diǎn)。

        參考文獻(xiàn):

        [1]廖伯琴.普通高中教科書物理選擇性必修第一冊[M].濟(jì)南:山東科學(xué)技術(shù)出版社,2019:51-52.

        [2]肖麗英.高中物理機(jī)械振動(dòng)和機(jī)械波相關(guān)概念教學(xué)的研究[D].蘇州:蘇州大學(xué),2009.

        (欄目編輯? ? 劉? ?榮)

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