利用教学变频电源创设共振驻波探究实验

王 辉 房庆安

(江苏省苏州第十中学校,江苏 苏州 215006)

1 共振探究实验

图1

共振现象是物理力学中的一个重要内容．它说的是,当驱动力的频率等于物体(或系统)的固有频率时,物体(或系统)就能获得最大的振幅．传统的共振演示实验是在一条绷紧的绳上拴几个摆长不同的小球,让其中的一个小球先摆动,从而驱动其他小球摆动．学生可以观察到:与最初摆动小球的摆长等长的小球振幅最大．但该装置的可见度小,且持续时间短,学生的印象不够深刻．为此,很多物理教师创设了很多形式丰富多样的演示实验装置,但终究只停留在教师演示的程度,不能做大范围的学生分组实验,学生只能是一个观察者,而不能成为一个参与者.这对理解共振条件是有很大影响的．根据这种情况,笔者和学校实验室教师一起设计了如图1的学生分组实验装置．该实验装置需要一个教学变频电源、振动台、学生自制振动弹片．

图2

振动台利用动圈式扬声器发声时产生振动的原理制作而成,其制作方法如下.

(1) 制作一个圆环和杯状圆柱体,一端是空心,另一端的中心打一个小孔,直径5 mm,再用M6丝攻,攻一个6 mm的螺丝孔,如图2．

(2) 将圆环和圆柱体(空心一头,对准中心)用胶水粘在一体,如图3．

(3) 把扬声器的防尘罩用小刀去除,再将图2放在扬声器的中心,用胶水粘住,如图4．

图3

图4

(4) 再将图4用螺丝固定在合适塑料盒子里,这样一个振动台就做成了,使用时只要将需要的器材固定在螺丝孔内．

学生自制振动弹片:笔者在课前将0.18 mm厚的磷铜片裁剪成2 cm宽的条状,指导学生自行剪切长度,打孔安装固定．如图5．

图5

通过连续调节变频电源的输出频率,可观察到不同长度弹片的振动情况,记录下不同长度的振动弹片对应的共振频率,汇总如表1所示.利用Excel的图表功能,得到图6规律.当把弹片长度取倒数后,得到表2.利用Excel,得到图7规律,所有点近似分布在一条直线上.

表1

图6

表2

图7

该实验数据说明:

(1) 由于单纯是数据汇总分析,其内在影响因素较复杂,因此无需学生解释数据的直线分布原因;

(2) 该图线是由若干次有限实验数据获得,只能很粗略表示其二者间关系;

(3) 指导学生根据该直线规律推知弹片在其它长度条件下对应的共振频率,并进行实验验证．

该实验装置的特点是:结构简单、操作方便、效果明显．学生通过操作就能明白什么是共振现象和共振条件;培养学生发现问题,提出问题,解决问题的探究能力;培养学生应用Excel处理数据的能力;培养学生应用所得结论合理外推,理论联系实际的意识;同时因为学生可以自己动手,提高了学习兴趣,活跃了课堂气氛．非常适合开设相应的校本选修课程供学生活动．

2 驻波探究实验

图8

在上述实验中如果持续提高电源的输出频率和输出电压,将会出现一维驻波现象,如图8所示．

一维驻波的成因是两列同频率的波在沿传播方向上同一直线叠加．在波形上,波节和波腹的位置始终是不变的,给人“驻立不动”的印象,但它的瞬时值是随时间而改变的．

根据不同长度的振动弹片对应的驻波频率,汇总如表3所示.利用Excel,得到图9规律,所有点近似分布在一条直线上.

表3

图9

3 后期改进

目前仅只是改变弹片的长度,来研究共振频率和驻波频率．后期可选择改变弹片材料,弹片宽度或厚度．