有关机械振动的几个演示实验

白宝成

(通辽职业学院 内蒙古 通辽 028000)

通过历年讲授机械振动的实验教学，笔者感受到亲自动手设计制作一些小实验，对学生理解和掌握概念大有益处.机械振动是力学中运动形式比较复杂的一种运动，在运动过程中速度大小和方向都发生变化，是一种变速运动，其原因是力的大小和方向在运动中发生变化，从而引起运动状态的改变.与运动相关的一系列物理量,如位移、速度、力、加速度、能量、时间等，在运动过程中如何正确判断其变化情况，取决于学生对机械振动知识理解和掌握的程度.

笔者在讲授机械振动现象及定义时，利用乒乓球做了三个演示实验用来描述“物体(或物体某一部分)在平衡位置附近做往复运动”这一现象.

实验一：将一个乒乓球用橡皮筋穿过,固定橡皮筋两端，如图1所示.将乒乓球向下(或向上)拉离一小段距离后放手，观察乒乓球的运动.同时对照装置指出“平衡位置”、“两侧附近”、“往复运动”等关键处，依据定义可知乒乓球做机械振动.

图1

实验二：移近两支架，使橡皮筋挂着的乒乓球构成双线摆，如图2所示.将乒乓球拉离平衡位置，然后放手，乒乓球来回摆动.经过分析可知乒乓球的运动路径虽然变了,但运动形式没变，仍然做机械振动.

图2

实验三：取下乒乓球，让它距桌面某一高度自由下落，在桌面上反复跳动数次.乒乓球在桌面上的运动是不是机械振动？通过分析对比，找出几次运动的异同点.学生讨论激烈，各持己见.按定义，其运动过程不符合机械振动条件，只是一种跳动(还可以接着演示用手在桌面间拍乒乓球.)

经过观察、思考、分析，加深了学生对“平衡位置附近往复运动”的理解.接着演示单摆的振动、竖直悬挂在弹簧下端的物体的振动、夹紧的钢锯条一端的振动等，使学生形成对机械振动现象的初步认识.

在讲授产生振动条件时，通过演示悬挂在竖直弹簧下的物体的振动，分析运动过程中物体的受力情况.物体受弹簧的弹力和重力.当物体向下离开平衡位置后，弹力大于重力，合力使物体回到平衡位置，此时的合力根据效果命名为回复力，使学生理解回复力的意义.在此基础上，演示用铁丝绕制成螺旋形状(其长短、大小跟前面演示的弹簧相同)，挂上重物后，缓慢拉离平衡位置，松手后会发生什么现象？根据前面的经验，部分学生凭直觉认为会振动.放手后物体不动，学生惊讶.经过分析，铁丝绕成的弹簧虽外形相似，但拉伸后不能恢复原状，无弹性，物体受到的拉力等于重力，合力为零(即回复力为零)，所以物体不会振动.通过对比实验，学生掌握了物体做

机械振动必须有使物体回到平衡位置的回复力作用；这是第一个必要条件.紧接着用两个相同单摆演示分析产生振动的第二个必要条件是阻力足够小.先使一单摆在空气中振动，往返多次，而另一单摆放在玻璃缸中搅拌好的稀面糊里运动.选用稀面糊是利用它的粘滞性增加振动中的阻力.稀面糊比教材中用油做实验取材经济.为保证实验效果还可以适当调和其稀稠程度，使面糊中的小球缓慢回到平衡位置停止.通过两个单摆运动的对比，学生理解了阻力足够小的物理意义.

图3

为了使学生对振动过程中的各个物理量有清楚的认识，尤其对各物理量方向的判定，演示悬挂在竖直弹簧下物体的振动时，在装置后面加一块白色铁板，如图3所示；标出平衡位置O，上下两个振动最大位置A和B.将各物理量用不同颜色制成长8 cm，宽2.5 cm，带有箭头的磁性标牌，分别表示位移、速度、回复力、加速度及加速过程、减速过程等.在讲解中可以根据需要，同时将各量方向表示在铁板上.直观方便地表示出在振动过程中各物理量的方向关系.也可以指定某一振动过程，例如由B→O运动过程，请学生在铁板上对应的摆出各物理量的方向。还可以任选过程，为学习简谐运动等知识打下了良好的基础.