霍金勝

中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的共振演示器如圖1所示，在金屬架子上繃一條水平方向細(xì)繩，在細(xì)繩上懸掛數(shù)個(gè)擺長(zhǎng)不同質(zhì)量較小的小球做成的單擺，如圖1中的A、B、C。再懸掛一個(gè)質(zhì)量較大的金屬球，做驅(qū)動(dòng)擺，如圖1中的X。

施加外力使驅(qū)動(dòng)擺X擺動(dòng)，帶動(dòng)水平細(xì)繩擺動(dòng)，水平細(xì)繩擺動(dòng)又帶動(dòng)A、B、C3個(gè)小球做受迫振動(dòng)。一段時(shí)間后，學(xué)生觀察到B球擺動(dòng)的幅度最大，而A球和C球擺動(dòng)的幅度很小。由于X球的擺長(zhǎng)與B球的相同，當(dāng)X球擺動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力的頻率與B球振動(dòng)的固有頻率相同。從而通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力的頻率等于物體的固有頻率時(shí)做受迫振動(dòng)的物體振幅最大。

此演示實(shí)驗(yàn)?zāi)芮宄卣f(shuō)明，做受迫振動(dòng)的物體受到的驅(qū)動(dòng)力的頻率與物體固有頻率相同時(shí)振子振動(dòng)的振幅最大。學(xué)生觀察此實(shí)驗(yàn)后，對(duì)共振產(chǎn)生的原理并不能完全理解，對(duì)共振能產(chǎn)生極大的危害也不容易認(rèn)識(shí)。為了彌補(bǔ)此實(shí)驗(yàn)的不足，筆者制作了細(xì)鐵絲撥磚式共振演示器，如圖2所示。

1制作方法

（1）用金屬條制作1個(gè)高約1m，寬約60cm的金屬框架。

（2）用長(zhǎng)約60cm的8號(hào)鐵絲制作1個(gè)振動(dòng)擺，用1塊磚頭做擺球懸掛在金屬框的上邊柜，使其能自由擺動(dòng)。

（3）用長(zhǎng)90cm的8號(hào)鐵絲制作1個(gè)驅(qū)動(dòng)擺，用1塊比磚塊重得多的金屬塊做擺球，鐵塊用元寶螺絲固定，使鐵塊可以方便地上下移動(dòng)進(jìn)而改變擺長(zhǎng)。

（4）取一小段22號(hào)細(xì)鐵絲，使其一端能方便地夾在驅(qū)動(dòng)擺上，另一端折成“Y”形，能方便地夾住振動(dòng)擺。

2實(shí)驗(yàn)過(guò)程

（1）把細(xì)鐵絲拿在手上，用其撥振動(dòng)擺，觀察磚塊的擺動(dòng)。由于細(xì)鐵絲很細(xì)，對(duì)振動(dòng)擺的作用力很小，而磚塊的質(zhì)量約為2kg，所以磚塊擺動(dòng)的振幅很小。

（2）把細(xì)鐵絲一端夾在驅(qū)動(dòng)擺上，另一端夾住振動(dòng)擺的金屬絲，用手推動(dòng)驅(qū)動(dòng)擺讓其擺動(dòng)，觀察振動(dòng)擺的擺動(dòng)情況。

（3）松動(dòng)元寶螺絲，移動(dòng)鐵塊的高度從而改變驅(qū)動(dòng)擺的擺長(zhǎng)，重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)。

（4）當(dāng)驅(qū)動(dòng)擺的擺長(zhǎng)與振動(dòng)擺的擺長(zhǎng)相同時(shí)，振動(dòng)擺的振幅最大，可以達(dá)到15cm左右，即產(chǎn)生了共振。

3教學(xué)效果

學(xué)生通過(guò)此實(shí)驗(yàn)，清楚直觀地理解了驅(qū)動(dòng)力如何對(duì)振動(dòng)擺產(chǎn)生作用。當(dāng)驅(qū)動(dòng)力頻率等于振動(dòng)擺的固有頻率時(shí)，振動(dòng)擺的振幅為什么最大；當(dāng)驅(qū)動(dòng)力的頻率與振動(dòng)擺的頻率相差較大時(shí)，振動(dòng)擺的振幅為什么較小。