自制有效演示受迫振动和共振规律的试验装置
利用打点计时器原理制作受迫振动演示装置
仪)"的研究 1998
该文介绍由增量式光电编码盘与微机组成的定轴运动信息实时采集系统(WGD系统).该系统以增量式光电编码盘作为角位移传感器,与信号预处理电路 、转向鉴别电路等将物体定轴运动的信息数字化,通过并行数字接口由计算机实时采集.该系统工作稳定,可实时描绘出平滑的"位移-时间"运动曲线和快 捷给出测量结果,可用于课堂演示.
2.期刊论文 徐忠岳.XU Zhong-yue 受迫振动与共振实验的创新设计 -物理实验2009,29(7)
利用变频器、同步电动机和磁性书写板来改进受迫振动与共振演示实验装置.本装置可以用来定量演示受迫振动,还可以用来研究共振的发生条件及 描绘共振曲线.
3.学位论文 贾晓丽 微梁机电耦合动力学 2007
振动分为欠阻尼振动、临界阻尼振动及过阻尼振动三种情形.对欠阻尼受迫振动的讨论更有意义,因此,讨论了欠阻尼振动系统的品质因数、欠阻尼受 迫振动的振幅和初位相、振幅共振和速度共振、振动系统的带宽.
9.期刊论文 陈培杰.张学利.CHEN Pei-jie.ZHANG Xue-li 受迫振动与共振现象的计算机自动控制与测量 -襄樊学
英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数：
袁明武 合肥第七中学,合肥,230000
物理实验 PHYSICS EXPERIMENTATION 2001，21(4) 0次
相似文献(10条)
1.期刊论文 钱天虹.Qian Tianhong 稳定受迫振动中的能量转换 -大学物理1999,""(1)
将强迫力分解成超前位移π/2和与位移同相或反相的两个分量.通过对两分力作功的定量计算,可以方便地讨论受迫振动中的能量转换,并能对共振现 象作出较清晰的物理解释.
制作震楼器的方法
制作震楼器的方法全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：震楼器是一种用来模拟地震震动的工具，通常用于地震工程研究和建筑抗震性能测试。
它可以帮助工程师们了解建筑物在地震条件下的表现，并评估其安全性。
今天，我们将学习如何制作一个简单的震楼器，并使用它来进行一些基本的地震模拟实验。
我们需要准备以下材料和工具：1. 木板（约30cm x 30cm）2. 弹簧（可在五金店购买）3. 重物（如金属块）4. 电机5. 开关6. 电线7. 螺丝8. 螺丝刀9. 电池或电源接下来，按照以下步骤制作震楼器：1. 将木板固定在桌子上，确保它稳固无移动。
2. 在木板上固定弹簧，将其拉紧并使用螺丝固定。
弹簧的一个端部应固定在木板上，另一个端部悬空。
3. 将重物挂在弹簧的悬空端部，确保重物能够自由移动。
4. 将电机固定在木板的一侧，使其与重物垂直。
使用螺丝固定电机。
5. 将电线连接到电机的正负极，并连接到开关。
6. 将电池或电源连接到开关，并打开电源。
现在，我们的震楼器就准备好了！接下来，我们可以进行一些地震模拟实验。
打开电源，电机会开始运转，造成木板和弹簧振动，从而使重物产生震动。
可以根据需要调整电机的运转速度和重物的质量，以模拟不同强度的地震震动。
在进行实验时，可以用一些小的建筑模型（如纸板房屋）放在木板上，观察它们在震动中的表现。
通过观察建筑物的稳定性和破坏情况，我们可以评估建筑物在地震条件下的抗震性能，并提出改进建议。
除了模拟地震震动，震楼器还可以用于测试建筑结构的自振频率和阻尼性能。
通过对建筑结构的振动特性进行测试，我们可以更好地了解建筑物在地震条件下的响应情况，从而提高其抗震能力和安全性。
制作一个简单的震楼器并进行地震模拟实验并不复杂，但可以为我们带来许多有益的信息。
通过这些实验，我们可以更好地了解建筑物在地震条件下的表现，为提高建筑抗震性能提供参考和指导。
希望以上内容能对您有所帮助，谢谢！第二篇示例：震楼器，又称震感器或振动传感器，是一种可测量物体振动和震动的装置。
用钕铁硼制作阻尼振动、受迫振动及共振演示仪
用钕铁硼制作阻尼振动、受迫振动及共振演示仪李长亮1)马文华1)王爱军2)唐军杰2)( 1) 中国石油大学（北京）石油与天然气工程学院04级北京 1022492) 中国石油大学（北京）数理系北京 102249 )摘要：利用稀土永磁性材料钕铁硼（Nd-Fe-B）设计制作出一种新型阻尼振动、受迫振动及共振演示仪. 该演示仪器可演示阻尼振动的三种状态（欠阻尼状态、临界阻尼状态、过阻尼状态）、受迫振动及共振现象. 关键词：阻尼振动；受迫振动；共振；钕铁硼中图分类号:Ｏ433文献标识码:Ａ文章编号:1 引言阻尼振动、受迫振动和共振是大学物理课程振动学部分的重要内容，也是大学物理实验课程的基本教学内容之一[1，2，3，4].这部分内容物理现象十分丰富，其原理和方法在工程实际中有着广泛应用. 因此，在大学物理课堂上演示阻尼振动、受迫振动和共振现象对于学生学习理论知识掌握其原理和方法有着重要意义. 但传统阻尼振动演示仪不能直观演示物体作阻尼振动的三种状态(欠阻尼状态、临界阻尼状态、过阻尼状态) ,而且演示受迫振动和共振现象需要电机驱动，仪器成本较高，课堂使用并不方便.钕铁硼(Nd-Fe-B)又称磁钢是20世纪80年代初兴起的一种新型稀土永磁材料，其最大磁能积比碳钢提高了280倍左右，目前这种材料已被广泛用于科研和生产中[5]. 近年来，随着钕铁硼制备工艺的发展，价格不断下降，钕铁硼在实验教学中也得到了广泛应用[6，7，8] .文献[8]利用钕铁硼设计制作出一种新型电磁阻尼演示仪,该演示仪可以演示在电磁阻尼的作用下,物体作阻尼振动的三种状态(欠阻尼状态、临界阻尼状态、过阻尼状态) ,而且制作简单. 但该演示仪不能演示受迫振动和共振现象. 另外由于钕铁硼的振动面与两侧的铝板平行，课堂演示时学生并不能直接看到钕铁硼的运动，需要用投影仪把钕铁硼作阻尼振动的运动图像投到屏幕上来演示,使用不是很方便.本文对文献[8]的新型电磁阻尼演示仪做了进一步改进，改进后的电磁阻尼演示仪不仅可以演示在电磁阻尼的作用下物体作阻尼振动的三种状态 ,而且能演示受迫振动和共振现象. 改进后的电磁阻尼演示仪不需要投影仪辅助，使用更加方便,物理现象更加直观.2 实验装置及原理图1为钕铁硼阻尼振动、受迫振动及共振演示仪装置示意图.本装置由底座、支架、有机玻璃滑槽、弧型铝板、空心细铝管、轴承、固定旋钮和两块钕铁硼(高10mm ,直径20mm)组成. 在支架上方横梁中央安装一滚珠轴承. 空心细铝管一端固定在轴承上，另一端砸入一铁钉并用锉把铁钉平头打磨平整. 然后通过磁力把其中一块钕铁硼吸到铁钉平头上，这样就形成一磁摆. 有机玻璃滑槽可以沿支架侧臂上下移动，其距磁摆的位置可通过固定旋钮固定和调节. 在有机玻璃滑槽上开一弧型槽用于安装弧型铝板. 另一块钕铁硼由实验者手持用于演示受迫振动及共振现象用. 图2为实物照片.将铝板取下,沿水平方向把磁摆拉开一个角度,放手后, 磁摆在竖直平面内摆动,振幅在较短时间内几乎不随时间变化，磁摆的摆动可近似为无阻尼自由振动.将铝板装上,当磁摆摆动时, 钕铁硼产生的磁场穿过铝板的磁通量发生变化,铝板内将产生感应电流(涡电流) ,根据楞次定律,感应电流的效果总是反抗引起感应电流的原因,则钕铁硼的摆动受到阻力的作用———即电磁阻尼, 磁摆作阻尼振动,其振幅在较短时间内随时间而减小.调节有机玻璃滑槽相对磁摆的位置，即调节弧型铝板相对钕铁硼的位置,涡电流的阻尼作用发生改变,可演示在电磁阻尼的作用下, 磁摆作阻尼振动的三种状态.演示时，由下向上调节有机玻璃滑槽位置，电磁阻尼由小到大增加，依次可演示磁摆摆动的欠阻尼状态、临界阻尼状态和过阻尼状态。
制作地震仪，检测可怕的地震科学DIY
制作地震仪，检测可怕的地震科学DIY最近四川和新疆发生了强烈的地震，灾区人民受灾严重，大家的心都揪在了一起。
地震虽然不能预测（点我查看为什么地震不能预测），但却可以检测。
今天教大家制作的自制地震仪，在原理上和科学家们使用的地震仪是一样的。
科学家们靠这类地震仪能够检测发生地震时大地的震动，你也可以利用这个简单的装备在家里做一回小地震学家。
关键概念地震仪、惯性材料和工具纸盒子（如鞋盒、快递盒）一次性杯子（或者矿泉水瓶子剪开）笔棉线一些碎石（如鹅卵石），或者重的东西纸剪刀操作步骤1. 首先把纸盒子90度反转，让开口的方向朝着你。
2. 在顶上用剪刀剪2个小洞，这两个洞是用来穿棉线用的。
3. 在一次性杯子的底部剪一个口子，大小正好和你的笔一样。
4. 在一次性杯子的开口处相对着剪2个小洞，然后在里面穿上一根棉线。
5. 把笔插到底部的洞里，露出笔头。
用一些胶带纸、双面胶一类的东西把笔固定住，使它不会上下晃动。
6. 在杯子里放上碎石或者重物，在笔下面垫一张纸。
7. 现在你可以摇晃纸箱，同时缓缓往外抽纸，你在纸上能看见什么呢？实验原理▲张衡设计的候风地动仪当地震发生时，地震波可以传到很远的地方，使地面产生剧烈的振动。
如果在和震源有一定距离的地方放一台灵敏度很高的探测器，就能够获得这次地震所发生的震波图。
世界上第一个地震仪是汉代的张衡创造的候风地动仪。
而西方第一个地震仪是法国物理学家欧特费尔（Jean de Hautefeuille）在1703年设计的。
地震仪有许多种类，但是基本原理大同小异。
▲地震学家约翰·米尔恩（John Milne）构想的古代中国候风地动仪以我们制作的地震仪为例，当发生震动的时候，纸和箱子会随着大地运动，而悬挂着的重物因为受到惯性的作用会保持相对静止。
这么一来，悬挂的重物和纸会发生相对位移。
张衡的地动仪和现代地震仪的拾震器利用的都是这个原理。
地震仪除了能及检测地震以外，还可以测量火山爆发、炸药爆炸等地表震动。
巧用废旧材料制作偏振光综合演示仪
巧用废旧材料制作偏振光综合演示仪作者：姜先策王永瑛来源：《科技创新导报》 2014年第6期姜先策王永瑛（海军航空工程学院青岛校区 266041）摘要：该文简要介绍了如何巧妙利用废旧材料制作可演示多种光的偏振现象及规律的综合演示仪器。
关键词：偏振光演示制作中图分类号：O436;O4-33 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2014)02(c)-0086-01很多学生对于偏振光比较陌生，缺少感性认识，许多教师在手头没有演示仪器的情况下，往往借助于动画演示辅助教学，但教学效果并不理想。
其实，利用我们身边经常见到一些废旧材料，很容易制作出可以演示多种偏振光现象及规律的演示仪器。
1 偏振光演示仪各组成部分的制作1.1 起偏器和检偏器的制作材料准备：3D电影偏振眼镜一副（镜片为偏振薄膜），矿泉水瓶2个。
制作方法及步骤：(1)将两个矿泉水瓶的瓶盖用小刀从中心挖一直径约为25mm的圆孔。
(2)根据瓶盖的内径大小，用剪刀将3D电影偏振眼镜上的偏振薄膜剪成圆形，大小要能正好放入瓶盖内部；(3)用万能胶将两个圆形偏振薄膜分别粘在两个瓶盖内部；(4)用剪刀将一个矿泉水瓶的瓶口部分剪下，将加工好的瓶盖拧到瓶口的两端，制作完成。
1.2 起偏器、检偏器和光源的支座的制作材料准备：废光盘三张，软盘塑料盒一个（可以装多张软盘的，也可用其他方形塑料盒或硬纸板盒代替）。
制作方法及步骤：(1)起偏器和检偏器支座的制作：用小钢锯对软盘塑料盒进行切割加工，制作出如图1所示支架，支座凹槽部分的宽度要与矿泉水瓶瓶口外径相同，加工好后将其用万能胶粘在一张光盘表面，注意要使凹槽的中垂线穿过光盘轴心如图2（a）所示。
(2)光源支座的制作：用小钢锯对软盘塑料盒剩下部分加工，切割出两块形状如图1所示的支座，图中圆孔将用来放置微型手电。
另取一张光盘，用美工刀将一张废光盘存有数据的部分切掉大部分，只保留对应圆心角为60°左右的扇形部分，如图2(c)所示。
如何用简单的实验演示共振现象？
如何用简单的实验演示共振现象？一、实验准备在进行共振实验之前，我们需要准备以下实验器材和材料：1. 一根细弹性绳子2. 一个固定支撑点3. 一个吊杆4. 一个小物体二、实验步骤1. 将绳子固定在支撑点上，保证其处于水平状态。
2. 将吊杆悬挂在绳子末端，使其自由摆动。
3. 调整吊杆的长度，直到与绳子形成一定角度。
4. 将小物体通过吊杆与绳子相连。
5. 用手指或其他工具轻轻推动小物体，观察其是否出现共振现象。
三、实验原理共振现象是指一个物体受到外力作用后，与其固有频率相匹配的频率下，产生的振幅最大。
在这个实验中，我们通过调整吊杆的长度和推动小物体，可以使得绳子与吊杆形成共振。
四、实验效果当小物体的频率与吊杆与绳子的共振频率匹配时，我们可以观察到以下现象：1. 振幅增大：小物体的振幅将会明显增大，振动幅度更大。
2. 固定位置：小物体会在一定位置上保持稳定振动，而不是摆动或漂移。
3. 音响效果：当共振频率与声音频率匹配时，我们可以听到更加响亮的声音效果。
五、实验分析通过这个实验，我们可以得出以下结论：1. 共振现象是由物体的固有频率和外力频率相互作用产生的。
2. 吊杆的长度可以调节共振频率，不同长度下的共振频率不同。
3. 振幅的增大是共振现象的明显特征，可以通过改变外力频率来观察振幅的变化。
六、实验应用共振现象在生活中有很多应用，例如：1. 音乐乐器：乐器的共鸣箱通过共振增强声音，使乐器发出更加浑厚、悦耳的声音。
2. 桥梁设计：在桥梁的设计中，需要注意避免共振频率与周围环境的频率相匹配，以免发生共振引起破坏。
3. 建筑物防震：利用共振现象可以设计出对抗地震或其他振动的建筑物，提高抗震能力。
七、实验小结本实验通过简单的装置和实验步骤，演示了共振现象的实验过程及原理。
共振现象在物理学、工程学和生活中都有广泛的应用。
通过深入理解共振现象，我们可以更好地应用它，并在实际生活中体验到它带来的变化。
物理实验技术中的共振现象实验装置的搭建
物理实验技术中的共振现象实验装置的搭建共振现象是物理领域一个常见而重要的现象，它在各个领域都有应用，如机械共振、电磁共振等。
为了探究共振现象的特性和原理，物理实验中往往需要搭建相应的实验装置。
本文将介绍物理实验技术中的共振现象实验装置的搭建方法和相关考虑。
首先，我们来以声波共振实验为例，简要介绍实验装置的搭建步骤。
声波共振实验是一种较常见的现象，适合用于初学生对共振原理进行实验教学。
搭建声波共振实验装置的第一步是准备共振管和声源。
共振管是实验中的主要工具，它通常是一根较长且封闭的管子，一般由玻璃或塑料制成。
共振管两端都可以打开或封闭，以便控制共振的条件。
声源可以使用频率可调的音频发生器或共振箱等设备。
接下来，我们需要准备一个用来调整共振频率的装置。
这个装置可以是一个滑动活塞，通过移动活塞来改变共振管内空气柱的长度。
也可以是一个旋钮，通过调节旋钮改变共振管内的压强。
这个装置非常重要，因为共振频率与振动系统的固有频率相关，只有通过调整装置来改变参数，才能得到所需的共振频率。
搭建声波共振实验装置的最后一步是连接测量装置。
通常使用一个声音传感器来检测共振频率时空波形的变化。
传感器可以是一个麦克风、一个振动传感器或一个压电陶瓷片等。
为了实现较好的实验效果，我们还需要注意一些细节和注意事项。
首先，共振管应该干净且无杂质，以免影响共振过程。
其次，在实验时应注意控制声源的音量和声波波长，避免产生共振时的超声波。
此外，实验者应理解共振现象的原理，并能正确解释实验结果。
除了声波共振实验，物理实验技术中还有其他类型的共振实验，如机械共振实验和电磁共振实验等。
在这些实验中，搭建的实验装置和所需的仪器设备略有差异，但基本原理是相似的。
总结来说，物理实验技术中的共振现象实验装置的搭建是一个非常有趣的过程。
通过这些实验，我们可以深入理解共振现象的特性和机制，并加深对物理原理的理解。
在实验中，我们需要准备适当的材料和仪器设备，注意装置的调整和控制，才能获得准确而有意义的实验结果。
比较理想的受迫振动与共振实验仿真
比较理想的受迫振动与共振实验仿真
1 引言
笔者近期痴迷于受迫振动与共振的仿真，期初追求设计上的简单，思路一致受限于单摆组，以为单摆组最好实现。
但是实验了多次，单摆的固有周期随着振幅而变，不够理想。
这次利用驱动轮和弹簧振子系列进行仿真，得到了比较好的效果，为教具制作提供了理论指导。
2 模型建构
在Working Model中消除重力影响，设置微弱空气阻力，构建弹簧振子系列，利用马达驱动曲轴连杆为弹簧振子系列提供振幅和频率不变的周期性驱动力，使马达的旋转周期处于受控状态，设置驱动力的周期依次与不同的弹簧振子的固有周期相等，运行程序，观察弹簧振子系列的振动情况。
驱动力周期为1s
驱动力周期为2s
驱动力周期为3s
驱动力周期为4s
3 结论
当驱动力的周期与某一个弹簧振子的固有周期相等时，该弹簧振子发生共振，振幅最大，而且十分稳定。
其他弹簧振子的振幅很小，做受迫振动，受迫振动的周期与驱动力周期一致。
物理实验技术中机械振动与共振的实验设计
物理实验技术中机械振动与共振的实验设计引言机械振动与共振是物理学中重要的概念，广泛应用于各个领域。
通过实验，我们可以直观地观察和研究机械振动与共振的现象和规律。
本文将介绍一种针对机械振动与共振的实验设计，以帮助学生更好地理解和掌握这一知识。
实验目的通过本实验，旨在让学生了解机械振动与共振的基本原理，掌握相关的实验技术，并能够利用所学知识设计和搭建简单的机械振动与共振实验装置。
实验材料与仪器1. 弹簧线圈：供给振动的弹性体。
2. 铜管：作为振动的载体。
3. 电磁铁：产生驱动力。
4. 音叉：用于产生共振。
5. 示波器：用于观察振动的波形。
6. 音频发生器：控制音叉的频率。
实验方法实验1：机械振动的观察1. 将弹簧线圈固定在铜管的一端，使其能够自由振动。
2. 将铜管的另一端与电磁铁相连，通过激励电流使铜管发生振动。
3. 使用示波器观察振动波形，并记录观察结果。
4. 改变电磁铁的驱动频率，重复步骤3，观察并记录不同频率下的振动波形。
通过这个实验，学生可以直观地观察到机械振动的现象，并通过改变激励频率，了解振动频率与振动波形的关系。
实验2：共振现象的观察1. 将铜管固定在实验台上。
2. 将音叉与铜管的一端相接，并通过音频发生器控制音叉的频率。
3. 调节音频发生器的频率，当音叉的频率接近铜管的固有频率时，观察并记录观察结果。
4. 改变音频发生器的频率，重复步骤3，观察并记录不同频率下的共振现象。
通过这个实验，学生可以观察到共振现象的发生，并了解共振频率与铜管固有频率之间的关系。
实验结果与讨论学生通过实验观察并记录到的数据和现象，可以在报告中进行数据处理和分析。
通过实验结果的讨论，学生可以了解到机械振动的波形、频率和共振的关系，以及其在实际应用中的重要性。
结论通过本实验，学生可以通过亲身实践和直观观察，了解机械振动与共振现象的基本原理和关系。
同时，掌握相关的实验技术和数据处理方法。
这将帮助学生更好地理解和应用机械振动与共振的知识，在相关领域中进行科学研究和实际应用。
利用自制教具探究受迫振动与共振
利用自制教具探究受迫振动与共振作者：陈斯钿李德安来源：《物理教学探讨》2018年第10期摘要：受迫振动与共振的演示实验是中学物理疑难实验之一，传统教学中与该部分内容有关的探究实验比较少，导致学习思路不够连贯。
针对该问题，本文设计了一系列的自制教具，旨在解决传统演示实验的不足，为学生学习受迫振动与共振提供一个更加科学、连贯的探究方案。
关键词：自制教具；受迫振动；共振；科学探究中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）10-0050-31 引言在中学物理教学中，受迫振动和共振是十分重要的内容。
但其演示实验的方法和内容不能令人满意。
笔者查阅了粤教版、人教版及其他一些教材，提供的演示实验装置通常如图1所示。
因此，笔者自制了一些教具，试图改进实验。
介绍如下。
2 装置原理及演示2.1 “钢条滑板”的制作与演示学生在学习受迫振动与共振之前，会存在一个错误的前概念：受迫振动的振幅与驱动力大小有关。
因此，在学习之前我们需要纠正学生错误的前概念。
为此，笔者特意设计了“钢条滑板”作为导入实验。
“钢条滑板”主要利用了不同长度的钢条具有不同固有頻率的原理。
选用20 cm×30 cm的木板一块，在底部安装上4个橡胶滑轮，便组成了滑板底部。
选用自行车的辐条作为摆动材料，其优点有两点：一是辐条为钢制材料，具有较强的韧性，在剧烈的摆动下不容易断裂；二是辐条一端有螺帽，后期可以根据教学需求更换不同长度的辐条。
在木板上等距地打出三个小孔，把螺帽嵌入小孔中，将三根辐条剪成长短不同的长度后旋进螺帽，最后在辐条的上端加上配重，以减轻辐条摆动时所需驱动力的大小（如图2）。
在课堂演示时，可以邀请学生上台挑战“让三根钢条的振幅同时达到最大”，学生受错误前概念的影响，会用尽全力推动滑板。
但很明显，由于三根钢条的固有频率并不相同，导致钢条的振幅不可能同时达到最大。
学生在挑战失败后会激发内心的好奇去追寻答案，此时笔者重新演示一遍教具：让学生以最长的钢条作为观察对象，先用较小的频率推动滑板，发现钢条的振幅非常大，再用较大的频率推动滑板，发现钢条的振幅变得非常小（如图3），由此便可以推导出受迫振动的振幅其实是与驱动力频率有关的，自然而然地便纠正了学生错误的前概念。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
自制有效演示受迫振动和共振规律的实验装置
董安安
(浙江省柯桥中学 浙江绍兴 312000
)(收稿日期:20180518
)摘要:高中物理教学长期缺少定量有效演示受迫振动和共振规律的实验装置,笔者针对这一现状设计了一种
教师自制方便,能定量调节和显示驱动力频率,能定量测量受迫振动频率,能方便描绘出共振曲线的课堂演示实验装置,并且在实际使用中取得了良好的教学效果.
关键词:自制教具 受迫振动 共振 演示实验 物理实验装置
振动现象在日常生活㊁
生产中随处可见.正因为其普遍,所以,掌握振动现象的规律,对其有用的方面加以利用,对其不利的方面加以防范,在工程技术㊁生产生活中是非常重要的事情.例如:造房子时利用振动打桩机打桩;工厂产品出厂前将其置于振动台上模拟应用和运输环境进行振动测试;设计运载火箭时对火箭壳体进行大型振动台的振动试验;桥梁设计时考虑如何防范破坏性共振现象的产生 种种例子不胜枚举.因此在中学物理教学中让学生掌握好振动现象最基本的规律,对学生的将来具有十分重要的意义.
目前高中物理课本中涉及振动现象知识的章节以人教版高中‘物理㊃选修34“第11章 机械振动 为例.教师在给学生讲授该章的 外力作用下的振动
(受迫振动) 一课时,用的是课本所介绍的装置:用小电动机带动弹簧振子作受迫振动,如图1所示
.图1 课本中的实验装置
对于这个装置,实际上,学生很难从演示中体会出 不管系统的固有频率如何,它做受迫振动的频率总等于驱动力的频率,与系统的固有频率无关 的
规律,以及 系统做受迫振动时,如果驱动力的频率十分接近系统的固有频率,系统的振幅会很大(共振现象) 的规律,学生感觉稀里糊涂.究其原因,这个演示装置无法定量显示驱动力的频率和系统受迫振动的频率,无法定量演示系统做受迫振动的振幅.事实上,这个演示实验长期以来一直没有好的方法㊁好的实验装置.上述用小电机带动弹簧振子的这个装置已经算是比早期手摇的装置进步了.基于这一现状,笔者萌生了设计制作一个有效演示受迫振动规律装置的念头.
怎样的装置才是比较有效地演示受迫振动规律的装置呢?笔者认为:第一,它必须能定量显示驱动力的频率;第二,它必须能随意调节驱动力的频率;第三,系统做受迫振动的频率应该是可测量的;第四,系统做受迫振动的振幅应该是定量可测或可比较的;第五,学生可以由实验画出受迫振动的共振曲线,由共振曲线求出系统的固有频率.此外,这个演示装置应该便于教师自制.
经过反复思索,一个可被利用的现成装置首先进入了我的制作思路,它就是高中学生用得最多的电磁打点计时器 它受50H z 电磁力驱动作受迫振动,如果驱动它的交流电的频率是可调的,振动片振动的频率不也就可调了吗?但是,频率可调的交流电源正规的名称叫 调频电源 ,一般中学的实验室没有这种电源,即使有,频率也不能细致地调节.中学实验室只有音频信号发生器,但功率太小,考虑是否可加一级小音箱的功率放大器组成 调频
电源 ?经过试验, 音频信号源+小音箱的功率放
59
大器 的组合用来驱动电磁打点计时器的效果很好,而且由于本实验中驱动力频率调节范围不会很大,可认为功放电路输出的驱动电流幅度恒定,不随频率变化而变化.但中学实验室的音频信号发生器的频率调节太粗糙,如果想每次调节0.5H z甚至0.1H z是
完全不可能的,无法满足演示共振曲线的要求.因此想到应自己做一个低频正弦信号源,而最方便的制作方法是编个电脑程序.我选择了MA T L A B程序语言,这是一种很容易上手的编程语言,很多功能不必自己动手,直接调用现成函数就可.方法是:利用程序设置一个正弦函数的信号,这个正弦函数信号的频率受程序控制,然后让这个信号通过声卡变成音频信号从电脑耳机插口输出.图2是编写的MA T L A B控制程序的界面.对于熟悉C语言的教师,这些更不是难事.
图2 MA T L A B控制程序界面
然后用有机玻璃板或木板做一个安装盒,盒子的面板用来固定主要零部件,盒子的里面用来安装功放模块兼做共鸣箱.把打点计时器稍加改动后固定在面板上;把小音箱功放模块安装到面板下方的盒子中,振动器就完成了.但如何来观察㊁测量打点计时器振动片振动的振幅大小呢?这是一个很关键的问题.好在该难题只要想对了方法就不难解决 借鉴扭秤实验的光路放大原理:在面板上安装一只激光器,在打点计时器振动片上粘贴一面很薄的小镜子就可以了.激光束照射到振动片上后再反射到屏幕上,光点会随着振动片的振动在屏幕上描出一条竖直亮线,测量这条亮线段的长度,就间接地量出了振动的强度(振幅).图3是该装置的照片.接下来的问题是如何测量振动片振动的实际频率.由于打点计时器振片振动的固有频率大约在50H z左右,所以用低频特性好一点的话筒做传感器勉强可胜任.方法是:用MA T L A B或C语言编写一个音频分析程序(用MA T L A B的优点是可直接调用它现成的傅里叶变换函数F F T,不必自己写代码),对电脑话筒插口输入的音频信号进行变换,就知道声音的频率是多少了.试验了几次,电容话筒比动圈话筒好,并且把电脑的 麦克风放大倍数 置于较高的状态,结果还是不错的.图4是振动频率测量软件的界面.
①激光器;②打点计时器和带有小镜的振动片;③测频麦克风;④音频功放模块电源输入端;⑤低频驱动信号输入端;⑥共鸣箱(内置功放模块))
图3
自制演示实验装置
图4振动频率测量软件界面
笔者设计制作的这个实验装置,不仅便于教师自制,而且完全实现了前面希望达到的5点演示要求,物理教师用了都说好.大家还指出这个实验装置仍可以进一步改进,使之更加完善:(1)如何方便地改变振动系统的固有频率?目前用调节振动片底端紧固螺丝的方法,不太方便,变化范围也小.(2)若能将振动系统的固有频率升高到100H z以上,使得话筒的灵敏度和底板下的共鸣箱能发挥较好的效能就更好了.笔者期待有兴趣的教师进一步改进,并就实验装置的有关问题彼此交流.
参考文献
1人民教育出版社,课程教材研究所,物理课程教材研究开发中心.物理㊃选修34.北京:人民教育出版社, 2017.17~21
2人民教育出版社,课程教材研究所,物理课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书物理必修(第一册).北京:人民教育出版社,2018.106~107
3刘浩,韩晶.MA T L A B R2016a完全自学一本通.北京:电子工业出版社,2016
4陈垚光,毛涛涛,王正林,等.精通MA T L A B G U I设计(第2版).北京:电子工业出版社,2011
69。