白寶成

(通遼職業(yè)學(xué)院 內(nèi)蒙古 通遼 028000)

通過(guò)歷年講授機(jī)械振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，筆者感受到親自動(dòng)手設(shè)計(jì)制作一些小實(shí)驗(yàn)，對(duì)學(xué)生理解和掌握概念大有益處.機(jī)械振動(dòng)是力學(xué)中運(yùn)動(dòng)形式比較復(fù)雜的一種運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中速度大小和方向都發(fā)生變化，是一種變速運(yùn)動(dòng)，其原因是力的大小和方向在運(yùn)動(dòng)中發(fā)生變化，從而引起運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變.與運(yùn)動(dòng)相關(guān)的一系列物理量,如位移、速度、力、加速度、能量、時(shí)間等，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中如何正確判斷其變化情況，取決于學(xué)生對(duì)機(jī)械振動(dòng)知識(shí)理解和掌握的程度.

筆者在講授機(jī)械振動(dòng)現(xiàn)象及定義時(shí)，利用乒乓球做了三個(gè)演示實(shí)驗(yàn)用來(lái)描述“物體(或物體某一部分)在平衡位置附近做往復(fù)運(yùn)動(dòng)”這一現(xiàn)象.

實(shí)驗(yàn)一：將一個(gè)乒乓球用橡皮筋穿過(guò),固定橡皮筋兩端，如圖1所示.將乒乓球向下(或向上)拉離一小段距離后放手，觀察乒乓球的運(yùn)動(dòng).同時(shí)對(duì)照裝置指出“平衡位置”、“兩側(cè)附近”、“往復(fù)運(yùn)動(dòng)”等關(guān)鍵處，依據(jù)定義可知乒乓球做機(jī)械振動(dòng).

圖1

實(shí)驗(yàn)二：移近兩支架，使橡皮筋掛著的乒乓球構(gòu)成雙線擺，如圖2所示.將乒乓球拉離平衡位置，然后放手，乒乓球來(lái)回?cái)[動(dòng).經(jīng)過(guò)分析可知乒乓球的運(yùn)動(dòng)路徑雖然變了,但運(yùn)動(dòng)形式?jīng)]變，仍然做機(jī)械振動(dòng).

圖2

實(shí)驗(yàn)三：取下乒乓球，讓它距桌面某一高度自由下落，在桌面上反復(fù)跳動(dòng)數(shù)次.乒乓球在桌面上的運(yùn)動(dòng)是不是機(jī)械振動(dòng)？通過(guò)分析對(duì)比，找出幾次運(yùn)動(dòng)的異同點(diǎn).學(xué)生討論激烈，各持己見.按定義，其運(yùn)動(dòng)過(guò)程不符合機(jī)械振動(dòng)條件，只是一種跳動(dòng)(還可以接著演示用手在桌面間拍乒乓球.)

經(jīng)過(guò)觀察、思考、分析，加深了學(xué)生對(duì)“平衡位置附近往復(fù)運(yùn)動(dòng)”的理解.接著演示單擺的振動(dòng)、豎直懸掛在彈簧下端的物體的振動(dòng)、夾緊的鋼鋸條一端的振動(dòng)等，使學(xué)生形成對(duì)機(jī)械振動(dòng)現(xiàn)象的初步認(rèn)識(shí).

在講授產(chǎn)生振動(dòng)條件時(shí)，通過(guò)演示懸掛在豎直彈簧下的物體的振動(dòng)，分析運(yùn)動(dòng)過(guò)程中物體的受力情況.物體受彈簧的彈力和重力.當(dāng)物體向下離開平衡位置后，彈力大于重力，合力使物體回到平衡位置，此時(shí)的合力根據(jù)效果命名為回復(fù)力，使學(xué)生理解回復(fù)力的意義.在此基礎(chǔ)上，演示用鐵絲繞制成螺旋形狀(其長(zhǎng)短、大小跟前面演示的彈簧相同)，掛上重物后，緩慢拉離平衡位置，松手后會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象？根據(jù)前面的經(jīng)驗(yàn)，部分學(xué)生憑直覺(jué)認(rèn)為會(huì)振動(dòng).放手后物體不動(dòng)，學(xué)生驚訝.經(jīng)過(guò)分析，鐵絲繞成的彈簧雖外形相似，但拉伸后不能恢復(fù)原狀，無(wú)彈性，物體受到的拉力等于重力，合力為零(即回復(fù)力為零)，所以物體不會(huì)振動(dòng).通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，學(xué)生掌握了物體做

機(jī)械振動(dòng)必須有使物體回到平衡位置的回復(fù)力作用；這是第一個(gè)必要條件.緊接著用兩個(gè)相同單擺演示分析產(chǎn)生振動(dòng)的第二個(gè)必要條件是阻力足夠小.先使一單擺在空氣中振動(dòng)，往返多次，而另一單擺放在玻璃缸中攪拌好的稀面糊里運(yùn)動(dòng).選用稀面糊是利用它的粘滯性增加振動(dòng)中的阻力.稀面糊比教材中用油做實(shí)驗(yàn)取材經(jīng)濟(jì).為保證實(shí)驗(yàn)效果還可以適當(dāng)調(diào)和其稀稠程度，使面糊中的小球緩慢回到平衡位置停止.通過(guò)兩個(gè)單擺運(yùn)動(dòng)的對(duì)比，學(xué)生理解了阻力足夠小的物理意義.

圖3

為了使學(xué)生對(duì)振動(dòng)過(guò)程中的各個(gè)物理量有清楚的認(rèn)識(shí)，尤其對(duì)各物理量方向的判定，演示懸掛在豎直彈簧下物體的振動(dòng)時(shí)，在裝置后面加一塊白色鐵板，如圖3所示；標(biāo)出平衡位置O，上下兩個(gè)振動(dòng)最大位置A和B.將各物理量用不同顏色制成長(zhǎng)8 cm，寬2.5 cm，帶有箭頭的磁性標(biāo)牌，分別表示位移、速度、回復(fù)力、加速度及加速過(guò)程、減速過(guò)程等.在講解中可以根據(jù)需要，同時(shí)將各量方向表示在鐵板上.直觀方便地表示出在振動(dòng)過(guò)程中各物理量的方向關(guān)系.也可以指定某一振動(dòng)過(guò)程，例如由B→O運(yùn)動(dòng)過(guò)程，請(qǐng)學(xué)生在鐵板上對(duì)應(yīng)的擺出各物理量的方向。還可以任選過(guò)程，為學(xué)習(xí)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)等知識(shí)打下了良好的基礎(chǔ).