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第8章 机械振动与机械波实验的操作与改进设计(2)

(5)再继续向下移动米尺,可听到第三次最强的共鸣声,记下此时空气柱长度L3。

(6)依λ=v/f及音频频率计算出λ/4的值。

(7)把L1、L2、L3……与λ/4比较,看是否可得整数1、3、5…(8)改变音频频率,重做实验。

从而得到产生共鸣时,空气柱之长等于该声波波长的1/4奇数倍的结论。

简易声学小实验

声音的反射

取两只长纸筒,紧靠墙壁对称地斜向放置,一人握纸筒,筒口放一手表;另一人握另一纸筒,耳朵紧贴筒口(如图14),此时可听到手表的滴答声,这说明声音能够反射。

声音在空气中的传播

敲击一音叉,把振动的音叉靠近悬挂的通草球(如图15)。音叉没有碰到球,但通草球却发生微小的振动,这就说明声源振动时在空气中形成声波,从通草球振动方向,还可以说明声波是纵波。

自制“线”话取两只盛冰淇淋的纸杯(或其他纸杯、纸盒),用一极长线(7-9米)穿过它们的底,并将线两端各固定在底面上(可用胶纸粘,也可用火柴杆子)将线适度拉紧(但注意不要拉坏纸杯底)。长线不可碰到另外物体。一人嘴对纸杯轻轻说话,则另一人耳贴纸杯可清晰地听到说话声音(如图16)。若两人位置不变,不用此“线”话,同样轻轻对话,却听不见。这个实验说明了声音在固体(线)也能而且比在空气中更容易传播。

音调的高低

取几只相同玻璃杯(如图17),第一只杯不盛水,其他分别盛1/3、2/3满杯水,用木尺轻击玻璃杯,可听到不同音调的声音。由于包括水在内的每个杯的固有频率不同,所以振动频率也不同,从而说明音调取决于振源的振动频率。

也可以把第一个杯的水量加减到敲击时发出“1”音(比如C调的“1”),则将第二个杯的水量加减到敲击时发出“2”音,类推,可使各个杯依次发出1,2,3,4,5,6,7,i各个优美音调。

(2)把一块塑料片与转动的自行车后轮胎接触,薄片即振动发声(图18),利用不同的转速,即可听到不同音调的声音,车轮转动愈快薄片振动频率愈高,音调也愈高,反之亦然。

(3)如图19把弦绷在小木板上。在图19(a)中,A弦绷得比B弦紧。图19(b)中,A弦比B弦短。图(c)中,A弦比B弦细。分别拨动各弦,可以得到音调不同的声音。即:弦绷得越紧、越短和弦越细,弦振动得越快,音调也就愈高。从而说明了弦振动发声与弦的张力、长度、密度的关系。

声音的共鸣

取两只相同的玻璃杯,各盛1/3的水,用棒敲击发声,并加减水量尽量使两者发出声音相同,在一个杯上放一细线,敲击另外一只杯,可以看到细线微微的振动(图20),有时甚至会把细线震掉。

声音共鸣实验改进

在现行物理教材中,通常用两个频率相同的音叉来做声音共鸣的实验。如图21,这种实验声音共鸣现象并不明显。原因有两点:(1)用橡皮槌敲击音叉A的振动幅度小,能量低,不能引起音叉B较大的振动而发出响亮的声音;(2)因两音叉及共鸣箱总存在一定差异(质量材料等)。共鸣条件不十分充足。

为此,可以对这个实验做以下改进。

实验器材:带共鸣箱的音叉两个,功率较大的录音机一台,橡皮槌一个,空白磁带一盒。

实验方法:

(1)将音叉插入共鸣箱,对准录音机孔(录音话筒)用橡皮槌用力敲击音叉,用录音机录下发出的声音,然后把磁带倒回。

(2)把带音叉的共鸣箱放在录音机附近,将共鸣箱口对准扬声器,把录音机的音量放大,按下录音键,放出刚才录制的音叉声。当将放完时,关闭录音机。音叉发出较响亮的声音,全班同学都能听到。

这个实验弥补了课本中实验的不足,取得了较明显效果,并且录音带可长期保存使用。

弹簧共振演示仪

制作方法

框架:底座M为(50×20)cm2的长方形木板,底部前后边各钉一个50cm长、横截面为(3×5)cm2的长方形木条,使座底部变为空心。M两侧边中心B、C处竖直向上各钉一个80cm的长方形木条作为竖杆,顶点分别为A、D。在A和D处锯掉45°角一小块以放内胎。在竖杆前后两边各钉上薄板以形成外侧边凹槽。在A、D之间后边钉一木条起固定作用。在C簧正下方的底板对应点处旋一羊眼备用。

横梁:用28寸自行车内胎,沿竖杆凹槽绕框架一周安放,上部AD段为横梁。

弹簧振子:采用J2110螺旋弹簧。a簧取原长一半,b簧的E、F点处各系一小线圈(E为中点,F处于顶部b/5簧长),以挂振子。各弹簧倔强系数为12Ka=Kb=Kc=Kd=Ke=025mm/g,对应的各振子质量ma=mb=mc=5md=500克,采取相应数值的钩码。为便于观察,振子ma、mb、mc油漆成红白相间的条纹,md漆红色。另外a簧漆黄色,c和e簧漆红色,d簧漆绿色。b簧F点以上漆红色,EF段漆黄色,E点以下漆绿色。e簧备用。

附件:单摆球、线。

使用方法

(1)研究弹簧共振①如图22。先让四个振子同时振动,可见mb、mc振动频率相同(Tc=Tb),而ma和mb振动频率各不相同(Ta≠Tb)。止动后再使mb上下振动(作为策动力),可见mc与之作上下弹性共振。此时虽ma=mb,但Ka≠Kb,所以Ta≠Tb,因此ma没有与mb发生共振。同样,虽然Ka=Kb,但ma≠mb,所以Ta≠Tb,因此ma也没有与mb发生共振。

②将mb悬于弹簧中点处E,此时Ta=TbE≠Tc≠Td,使mbe振动,可见ma与之共振。

③将mb悬于F点,使mbF振动。可见md与之共振。这时TbF=2πmbKbf=Td。实验看到,当策动力的频率等于振动物体的固有频率时,物体受迫振动的振幅最大,可见相应的共振。

(2)演示单摆共振如图23,将四个弹簧振子近似看做四个单摆,让mb前后摆(作为策动力),可见mc与之作前后单摆共振。

(3)演示受迫振动以手给横梁施力,可见弹簧振子作受迫振动;让弹簧振子振动,可见横梁作受迫振动。

(4)模拟军队过桥将ma换下md,则Tb=Tc=Ta′,让mb和ma′先作反相振动,然后再作一次与前次相同振幅的同相振动,比较mc和横梁(这里作为桥梁)的振动,可见同相振动时振幅最大,易引起桥梁共振而毁坏。

另外,本装置还可演示复合共振,模拟火车过桥和共振找桩等,效果也相当好。

单摆振动实验的改进

一般《物理》课本在叙述单摆振动定律的演示时,每一步要让单摆振动50次,整个实验要让单摆振动几百次,还要测出时间,算出周期,比较它与振幅、质量、摆长等几组数据,找出相应的关系,费去的时间太多,势必挤掉讲解课文和其他教学环节应有的时间,影响教学效果。在考察单摆的振动周期跟重力加速度的关系时,一般学校都不进行演示,师生总感到美中不足。下面是我们的改进做法。

(1)用细线和铁球,制成两个相等的摆长(例如1m)和相等质量(例如33g)的单摆,挂在同一根水平横梁上,同时开始作同步摆动。令一个单摆的偏角约5°,另一个单摆的偏角约3°,使它们振幅不同。经过几次来回摆动,可以看到它们始终保持同步,即周期相等。从而证明了在偏角很小时,单摆振动周期跟振幅没有关系。

(2)再用一根细线和一个木质小球(直径与铁球相等,质量约6g)制成第三个单摆,摆长也取1m,把它挂在上述同一根横梁上,并令其与等长的铁球单摆同时开始作偏角小于5°的摆动。

它们经过几次摆动(摆动次数不宜过多)仍能保持同步,也就证明了在偏角很小时,单摆振动周期跟摆球质量没有关系。

(3)一个铁球单摆的摆长保持100cm不变,将另一个铁球单摆的摆长缩短为25cm,让它们在偏角小于5°的条件下,分别摆动若干次,一般是秒表测算出它们各自的周期,进行比较,可得出T1:T2=l1:l2的结论。我们改进的做法是:用气垫导轨的附件——光电门,倒放在单摆振动的平衡位置上,在相连的数字计时器上,就可迅速地读出半周期。然后把两次数据进行比较,同样可以得出上述结论。这样做的好处是提高了计时仪器的可见度和自动化程度,节省时间。

(4)由于地球上某处的重力加速度是无法改变的,教师又不可能到远离地面的地方去做实验,进行单摆振动周期跟重力加速度之间的关系的考察。我们想了一个模拟的方法,在铁球的下方放置一排学生用的小型条形磁铁(上端都是同名磁极),来增加铁球所受向下的作用力。整个装置如图24所示。图中,A是测力计,B是夹子,C是铁球,D是磁铁排(上端面呈以B为圆心的圆弧状,在单摆振动时,铁球与磁铁间的距离尽量做到相等)。演示时,先松开B夹,用测力计测出没有磁铁排时摆球的重量G1。闭合B夹,让单摆振动,并测算出它的周期T1。再松开B夹,放置磁铁排,用测力计测出这时摆球的“重量”G2(实际上是铁球的重量与磁铁对铁球的吸引力之和),闭合B夹,令单摆在磁铁排上方摆动,并测算出单摆振动的周期T2。

然后进行数据比较。由于铁球质量前后一样,所以前后两次的“重力”加速度之比g1:g2=G1:G2实验证明T1:T2=G2:G1,也就证明了T1:T2=g2:g1。

综合上述四步实验,全面而又较快地证明了单摆振动定律。

“单摆等时性”的演示方法改进

现行高中《物理》必修教材中,对于“单摆的等时性”、“单摆振动周期与摆球质量无关”的规律,都是通过演示实验得出的。教材中的演示方法是:同一单摆,让其两次振动的振幅不同,分别测出其周期,比较之,得出“单摆的等时性”。然后,在同一条细线上,先后拴上两个大小相同、质量不等的摆球,分别测出其摆动时的周期,比较之,得出“单摆周期与摆球质量无关”。

以上演示的方法有两方面缺点:(1)由于测量误差的必然存在,两次振动周期的测量结果必不相等,这就难以达到水到渠成的效果,反而会使学生觉得结论的得出有点牵强。(2)实验中,最少要进行四次振动周期的测定,这要占用较多的课堂时间,降低了课堂教学的效率。

对此,我们在教学中进行了小改进,克服了以上缺点,且简单易行,现象明显。具体做法是:

在同一横杆上O1和O2处分别打上两个小孔,细线穿过小孔,固定好上端,即安装好两个完全相同的单摆。然后将A、B两摆球拉离平衡位置,使它们的振幅不同。若振动时它们始终步调一致,即始终同时到达同侧最大位移、同时到达平衡位置,就表明在摆角很小的条件下,单摆的振动周期与振幅无关。

演示单摆的周期与摆球质量无关的实验,只要把其中一个摆球换成质量与另一摆球的质量不等、半径相等进行实验就可以了。

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