中學優秀共振演示實驗的梳理與優秀新案例剖析

葛騰霄

摘 要： 本文首先從波的共振和機械共振兩個方面梳理了中學階段關于共振的演示實驗，并對它們的優缺點作出評述；其次介紹了一個新穎的，采用了自制教具進行演示的機械共振方面案例；最后從演示實驗的教學入手分析了該案例的教具優勢、操作的規范性、演示的合理性，以及如何幫助學生突破具體演示現象達到理解抽象的“共振”物理概念。

關鍵詞： 共振 演示實驗 自制教具

1.共振演示實驗的梳理

共振現象是自然界中極普遍的現象，在物理學的不同分支，它擁有不同的名字。比如在聲學中我們稱之為“共鳴”，指的是物體因共振而發聲的現象。在電學中，振蕩電路的共振現象稱為“諧振”。光學中光波的疊加也可以看做一種共振，即光的干涉現象。而在中學階段，我們給學生演示最多的現象最明顯的是機械振動中的共振。在機械振動中“驅動力的頻率接近物體的固有頻率時，受迫振動的振幅增大，這種現象叫做共振”①。這里我對中學常用的非教科書中的共振演示實驗做了一個梳理，按照波的共振與機械共振兩大類進行分類供大家參考。

1.1波的共振

音叉法：演示聲學共振和聲波具有能量的經典演示實驗。取幾個音叉且至少有兩個頻率相同，相隔不遠并排放在桌上。打擊相同兩個音叉的其中之一使其發聲，過一會按住使其停止發聲，可以聽到另一與其頻率相同音叉發出了聲音。實驗評價：儀器簡單，演示成功率極高。但該實驗中共振的音叉發聲小，受外界雜音干擾大，遠處不容易聽到，說服力有限。

應聲法②：沈括在《夢溪筆談》中精心設計了一個聲學共振實驗。他剪了一個紙人，把它固定在一根弦上，彈動和該弦頻率成簡單整數比的弦時，它就振動使紙人跳躍，而彈其他弦時，紙人則不動。沈括把這種現象叫做“應聲”。用這種方法演示共振是沈括的首創。在西方，直到15世紀，意大利人才開始做共振實驗。至今，在某些國家和地區的中學物理課堂上，教師還使用這種方法給學生做關于共振現象的演示實驗。實驗評價：十分形象生動，能激發學生學習物理的濃厚興趣，但是實驗儀器需要特別制作，演示可能出現不明顯的現象。

中學階段光波的共振主要表現在干涉現象中。

薄膜干涉法：取一段鐵絲彎成一個帶柄的圈，沾上自來水或者肥皂水然后豎直放置。通過投影或者傳閱的方式演示給學生看。實驗評價：相當簡便的實驗，現象明顯且可操作性強。亦可轉變為學生實驗。但是較難讓學生聯系到干涉現象，需要比較多的解釋與說明。

激光筆干涉法：取一面小鏡子，其中一邊鍍銀。準備兩個剃須刀刀片。演示開始后，將兩片剃須刀緊緊并排放置，在小鏡子的鍍銀面使勁劃出一道刻痕（劃穿鍍銀層）。因為剃須刀片極其薄而鋒利，實際上的兩道劃痕看起來像是一條。最后用一個高亮度的激光筆頂住鍍銀層，從刻痕射出照在墻壁或者黑板上均可。要求：室內盡量黑暗。實驗評價：操作簡單，現象明顯。并且可以以魔術的形式展現，學生非常感興趣（同一個動作，一個刀片劃即為單縫衍射，現象截然不同）。但是經事實檢驗本實驗操作需要多練習，否則不易出現雙縫干涉條紋。

1.2機械共振

皮筋法：“拍拍球”是小學附近熱賣的兒童玩具，它顏色多且鮮艷，尤其引人注目的是長約15cm～20cm的細長的“手臂”，實際上它是勁度系數極小的橡皮筋，用這種玩具代替普通的橡皮筋做共振實驗，能大大提高可見度。實驗時，用手提橡皮筋的一端，在豎直方向上下抖動。當手抖動頻率與固有頻率相差較大時，小球振幅極其微小。當手抖動頻率與固有頻率相等時，振幅突然增大。若小球質量合適，手微微抖動，振幅便能達到幾十公分。實驗評價：這種方法非常切合中學生生活經歷，能夠極大地激發他們的探究欲望，且效果顯著，幾乎沒有失敗的可能。

共振擺法：在張緊的繩子上掛幾個擺，其中有些擺的擺長近似相等.讓擺長相等的某一個擺振動，從而使其他各擺做受迫振動。實驗評價：在實踐操作中，可以看到擺長近似相等的球振幅較大，但對學生來說有一個關鍵問題是它們的振動步調不一定一致。這就導致學生的也許不能一下子得出觀察結論。該實驗較難把握住，有時說服力不夠。

洗衣機共振法③：家用機械式迷你洗衣機的甩干桶在脫水定時器復位時，由于慣性會繼續旋轉一段時間，此過程相當于給系統不斷施加策動力的過程，可以把此時的甩干桶當做策動力源。在甩干桶逐漸減速運動的過程中，策動力的頻率逐漸減小，洗衣機的振動卻越來越厲害。在某個轉速時（其實是策動力的頻率和洗衣機的固有頻率近乎相等），洗衣機的振動最厲害。然后隨著轉速的減慢，洗衣機的振幅逐漸減小。課堂演示時，將半燒杯水放在洗衣機蓋上，在甩干桶逐漸停轉的過程中，水由微微的顫動到較大波動再到輕微振動。實驗評價：較簡便形象、直觀放大地說明了機械共振的原理，但攜帶略有不便。

2.共振演示實驗創新案例

2.1實驗裝置

材料：三個子彈殼、一個銅鎖、細線若干、一個盛滿水的礦泉水瓶、兩根筷子。

制作：

教具1：將三個子彈殼分別用細線系在一根筷子上，三個子彈殼到筷子的距離不相等，即擺長不等。

教具2：首先將筷子穿過水瓶瓶口，并使筷子始終水平；其次將三個子彈殼分別與細線相連，再分別系在筷子上，均在水瓶的同側，子彈懸掛時重心到筷子的距離分別是11cm、18cm、26cm。最后在瓶子另一側的筷子上用細線系上銅鎖，銅鎖重心到筷子的距離可調。子彈殼的重心及銅鎖重心的距離都需要由“懸掛法”確定。

2.2實驗演示

實驗1：使用教具1，手握筷子的兩端，使筷子保持水平，轉動筷子，使其中一個子彈殼劇烈擺動而另外兩個子彈殼擺動微小甚至不擺動。

實驗2：使用教具2，將裝置放在水平桌面上，調整銅鎖的擺長，使其等于18cm，即與中擺的擺長相等，將銅鎖拉離平衡位置一定距離，釋放，使其在某一豎直平面內自由擺動，觀察三個子彈殼的擺動情況。再調整銅鎖擺長使之先后與短擺和長擺的擺長相等，使銅鎖以一定振幅擺動，分別觀察三個子彈殼的擺動情況。

2.3注意事項

儀器制作：

教具1：三個子彈之間的距離應該注意等分，避免三個靠得過近或者過遠影響實驗現象。

教具2：在確定子彈和銅鎖重心的時候可將他們視為薄板并采用人教版必修一中“重力”一節的懸掛法進行確定。其次，測量擺長的時候先將重物懸掛好，再用直尺測量，防止先測量后懸掛導致的擺長測量誤差，注意視線與刻度垂直。礦泉水瓶中的水要裝的適量，太滿則重心太高，實驗時裝置容易傾倒；太少則瓶子本身太輕銅鎖擺動時容易傾倒。

實驗演示：

實驗1：操作需要耐心，最好是提前嘗試和練習以達到上課時三個子彈按順序產生共振的效果為宜。要明確告訴學生需要觀察的內容，以便學生思考。

實驗2：將實驗儀器略微側向面對學生使實驗現象更加明顯。銅鎖的擺動幅度不宜過大，大約在10°為宜。各種擺長重復幾次增強說服力。

3.分析與反思

3.1演示實驗教學分析

演示實驗在中學物理實驗中占有很大比重，是一種深受學生歡迎的演示形式，是教師施展教學藝術的獨特手段，它能夠化枯燥為生動，化抽象為具體。本案例是一個標準的使用自制演示實驗儀器向學生展示物理現象，闡明物理規律的案例。它符合演示實驗教學的基本要求并且能夠兼顧觀察指導策略。

本實驗有明確的目的。我們不能夠離開演示實驗的具體目的評價其好壞。換而言之，即使一個演示實驗做得再成功再引人注目，如果實驗本身目的不明確，學生看完后只覺得有意思而無法引發進一步的思考，這也是一個失敗的演示實驗。本實驗目的明確，就是讓學生觀察到共振現象。而且實驗1為實驗2做了鋪墊，明確了觀察的目的與角度，讓學生做好了觀察的思想準備，從而留給學生一定的產生或者影響共振發生條件的印象，有利于實驗演示后的教學。

本實驗實驗現象明顯而直觀。演示實驗的教學功能離不開學生的觀察，因此要求演示的物理現象明晰易見，直觀說明問題。首先，本實驗采用的“擺”是銅鎖和子彈殼，他們都是體積小、顏色深、密度較大的物體，擺動起來非常顯眼。其次，因為是自制教具，所以儀器很簡單，實驗步驟也不多，過程明了。

本實驗操作具有示范性。演示實驗有很多作用，比如：激發學生的興趣和求知欲，為學生創設生動的物理學習情境，培養學生的科學態度和科學精神。還有一點就是發展學生的能力，使學生掌握科學的方法。科學的實驗方法是科學方法的重要環節，規范嚴謹的操作是保證實驗方法科學性的前提。因此，教師在設計和上演示實驗課時務必注意操作的規范性、嚴謹性，以便讓學生從中有所學，有所感。本實驗嚴格地按照懸掛法的有關要求確定了物體重心的位置，雖然即使不采用此方法誤差也不大，但是這樣做教會了學生對待實驗要有嚴謹的態度。注意到先懸掛“擺”再讀數，將誤差降到最低，同時強化學生正確使用基本量具、儀表的習慣。

3.2化抽象為具體方法分析

機械共振這一節是比較抽象的，學生的前概念一般比較模糊。即使細心的學生平時觀察到這一現象，也很難憑借感知得出共振的產生條件及規律。教科書上這一節直接采用了一個標準的共振現象演示儀，這難免讓學生很難進入從舊知識、舊概念到建構新知識、新概念的狀態。我們要在這中間搭建一個橋梁，它既能演示出共振的現象，又能讓學生不感到陌生。本案例即采用了自制教具的方法。該方法既能減少學生對于共振現象的陌生感，又能把抽象的共振問題轉變為具體的可觀察的現象。

學生在觀察這一現象的時候，會自覺地拋棄對于共振數學表達的畏難情緒，全身心地投入現象觀察中，并表現出描述現象的渴望。我們再適時地從現象、文字、數學等多方面引入對于共振的描述，就能達到事半功倍的效果。

3.3自制教具優點分析

課堂演示實驗作為一種重要的教學策略，是影響課堂教學效果的關鍵因素，是學生掌握概念、規律的重要途徑。要提高演示實驗教學的質量，自制教具是一條很好的途徑，它不僅可以補充儀器，減輕學校經費開支，更可以提高教學質量，有助于培養師生動手操作、觀察、獨立分析解決問題的能力，使學生受到良好的科學就在身邊的意識教育④。

本實驗通過恰當選擇組合材料增強了實驗的可見度，通過使用學生身邊的東西而不是一個設計完備的實驗儀器。我們在上這堂課時除了該演示實驗外，教科書上的共振擺肯定也會涉及，所以這個實驗其實是一個認知補充，擴大了實驗的同類量。最后，這個實驗明顯較書本上的儀器更具有趣味性，而且具有為學生實驗的潛力。我們甚至可以讓學生各自準備材料，現場制作。

注釋：

①人教版高中《物理》第一冊（必修）.

②易忠兵.演示共振現象的幾種實驗方法[J].中學物理教學參考，2007（4）.

③易忠兵.演示共振現象的幾種實驗方法[J].中學物理教學參考，2007（4）.

④鄧飛.自制教學為實驗教學添光彩.教學參考中學版，2013，1.

參考文獻：

[1]易忠兵.演示共振現象的幾種實驗方法[J].中學物理教學參考，2007，4.

[2]鄧飛.自制教學為實驗教學添光彩[J].教學參考中學版，2013，1.

[3]李力.對“共振”定義的建議.中學物理教學參考[J].2005，7.

[4]閻金鐸，郭玉英.中學物理教學概論[M].北京：高等教育出版社，2009.12.

[5]錢曉.自制教具在物理教學過程中的應用[J].物理教師，2014，6.