吳清理
摘? ?要:“生活中的振動(dòng)”選自于魯科版高中物理選修,其中的受迫振動(dòng)的演示實(shí)驗(yàn)很吸引學(xué)生的眼球。但在做受迫振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)演示時(shí),彈簧振子卻經(jīng)常不聽(tīng)話,總是前后左右亂蹦亂跳。針對(duì)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(tīng)話,操作更加靈活,演示效果更加理想。
關(guān)鍵詞:受迫振動(dòng);彈簧振子;固有頻率
“生活中的振動(dòng)”這節(jié)課從生活中的普通振動(dòng)入手,先引導(dǎo)得出理想的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)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(dòng)——受迫振動(dòng),讓學(xué)生明白生活中振動(dòng)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(dòng)的實(shí)驗(yàn)演示時(shí),彈簧振子經(jīng)常不聽(tīng)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(wèn)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(wèn)題的能力。于是針對(duì)上述作受迫振動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的一些問(wèn)題,本人對(duì)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(tīng)話,操作更加靈活,學(xué)生能更好地獲得感性認(rèn)識(shí),加深理解。
1 問(wèn)題的提出
1.1 原受迫振動(dòng)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(dòng)圖1中的轉(zhuǎn)動(dòng)柄,通過(guò)鐵桿帶動(dòng)彈簧振子振動(dòng),此時(shí)的振動(dòng)叫受迫振動(dòng);也可以不轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)(固有振動(dòng))。通過(guò)觀察計(jì)算就可以得出彈簧振子做自由振動(dòng)時(shí)的頻率f固與做受迫振動(dòng)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(dòng)時(shí)的頻率由驅(qū)動(dòng)力的頻率(轉(zhuǎn)動(dòng)柄的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率)決定,而與自由振動(dòng)的頻率無(wú)關(guān),即f迫=f驅(qū),與f固無(wú)關(guān)。
1.2? 原演示儀在演示過(guò)程中存在的問(wèn)題
演示儀的構(gòu)造雖簡(jiǎn)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(wèn)題:
(1)手柄與鐵桿通過(guò)螺絲旋緊而連在一起,當(dāng)用手轉(zhuǎn)動(dòng)手柄時(shí),螺絲就容易松動(dòng),轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)柄的驅(qū)動(dòng)下受迫振動(dòng)效果不是很好,受迫振動(dòng)效果不明顯;
(3)用手搖動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)柄時(shí),因支架較輕,力量控制不好,容易出現(xiàn)前后晃動(dòng),影響振子的振動(dòng),使得演示不穩(wěn)定。且手動(dòng)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(huì)浪費(fèi)較多時(shí)間,會(huì)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(wèn)題的解決
2.1? 設(shè)想的提出
問(wèn)題1:手柄脫落
設(shè)想對(duì)策:用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)傳送皮帶運(yùn)轉(zhuǎn),進(jìn)一步帶動(dòng)手柄轉(zhuǎn)動(dòng)。
由于直流電動(dòng)機(jī)是勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的,所以產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力是周期性的,相對(duì)于手的轉(zhuǎn)動(dòng),更有說(shuō)服力。但也正是直流電動(dòng)機(jī)無(wú)法自身進(jìn)行變速,所以又增加了一臺(tái)變速器,這樣可以自由改變驅(qū)動(dòng)力的頻率,使用起來(lái)更為方便了。
問(wèn)題2:受迫振動(dòng)不明顯
設(shè)想對(duì)策:適當(dāng)選擇彈簧振子,不斷嘗試使效果達(dá)最明顯。
問(wèn)題3:計(jì)算頻率時(shí)是用眼睛盯著計(jì)算全振動(dòng)的次數(shù),費(fèi)力又容易出錯(cuò)。
設(shè)想對(duì)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(guò)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(guò)千挑萬(wàn)選,發(fā)現(xiàn)彈簧振子的軟硬程度,質(zhì)量對(duì)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(dòng)做受迫振動(dòng),最終選擇的彈簧振子各系數(shù)見(jiàn)表1。
經(jīng)過(guò)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(dòng)機(jī)及變速器
在選擇電動(dòng)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(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2。
(3)使用光電計(jì)數(shù)器記錄下全振動(dòng)的次數(shù)
光電計(jì)數(shù)器是通過(guò)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(méi)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(lái)的紅外線,經(jīng)反相處理使之沒(méi)有信號(hào)輸出,有工件經(jīng)過(guò)時(shí)擋住光路,接收器失去紅外線信號(hào)便輸出一個(gè)脈沖信號(hào)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(méi)有東西時(shí),發(fā)射器發(fā)出的紅外線直接射出沒(méi)有反射,接收器沒(méi)有接收到反射來(lái)的紅外線信號(hào)沒(méi)有輸出,有工件經(jīng)過(guò)時(shí)擋住光路使發(fā)射器發(fā)出的紅外線信號(hào)反射到接收器,接收器接收到反射來(lái)的紅外線信號(hào)便輸出一個(gè)脈沖信號(hào)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(cè)出彈簧全振動(dòng)次數(shù)以及驅(qū)動(dòng)力頻率。原理:一個(gè)光信號(hào)發(fā)送器與光信號(hào)接收器組成,安在彈簧振子兩側(cè),發(fā)送器送出光信號(hào)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(dòng)。同時(shí)在驅(qū)動(dòng)力裝置上面也有計(jì)數(shù)器記錄驅(qū)動(dòng)力裝置轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)的演示
(1)實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程
(2)實(shí)驗(yàn)記錄見(jiàn)表3
(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)論
需要說(shuō)明的是,轉(zhuǎn)動(dòng)桿 5 帶動(dòng)彈簧振子 12 的受迫振動(dòng),是通過(guò)旋轉(zhuǎn)環(huán) 10 與固定筒 8 實(shí)現(xiàn)的,具體為:轉(zhuǎn)動(dòng)桿 5 在電機(jī) 7 作用下轉(zhuǎn)動(dòng),并帶動(dòng)套于其上的旋轉(zhuǎn)環(huán) 10 上下振 動(dòng),由此來(lái)帶動(dòng)與旋轉(zhuǎn)環(huán) 10 相連的固定筒 8 上的彈簧 11,從而帶動(dòng)彈簧振子 12 做受迫振動(dòng)。
4? 創(chuàng)新點(diǎn)
本儀器的改進(jìn)設(shè)計(jì)是在不改變?cè)醒菔緝x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(dòng)部分改成自動(dòng),采用直流電動(dòng)機(jī)對(duì)其產(chǎn)生周期性的驅(qū)動(dòng)力,采用變速器來(lái)改變驅(qū)動(dòng)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(guò)程操作更為簡(jiǎn)便,受迫振動(dòng)效果理想,實(shí)驗(yàn)結(jié)果精確。本實(shí)驗(yàn)裝置已向國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局申請(qǐng)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(guò)程中對(duì)于電動(dòng)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(duì)光電計(jì)數(shù)器的選擇,在改造過(guò)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(dòng)需要,實(shí)際距離是6 cm左右,因此在小球振動(dòng)的過(guò)程中遮光有點(diǎn)不夠,偶爾會(huì)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(lái)自實(shí)驗(yàn)室,沒(méi)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(huì)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(cè)量的時(shí)間將可以更長(zhǎng),實(shí)驗(yàn)效果將更準(zhǔn)確。
參考文獻(xiàn):
[1] 中華人民共和國(guó)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.