鄧兆瑞
摘 要:本文對機械“共振”現象的定義、原理等相關知識點進行了簡單介紹,同時從原子結構、聲學、電學等多個角度多高中物理知識中的機械“共振”現象展開了分析,最后列舉了一些生活中對機械共振現象的應用。
關鍵詞:高中物理;機械共振;電磁波
中圖分類號:G633.7 文獻標識碼:A 文章編號:1004-7344(2018)32-0041-01
引 言
機械“共振”現象不僅在現實生活中十分常見,同時在很多高中物理知識中也有著一定的體現,如果能夠通過共振現象將這些物理知識與機械振動知識聯系起來,那么物理知識學習就能夠形成一個相互關聯、聯系密切的知識體系。從而達到融會貫通的效果。
1 機械“共振”現象概述
共振是物理學領域中一種十分常見的現象,同時也是一個專業術語,其主要是指一物理系統在特定頻率下,比其他頻率以更大的振幅做振動的情形,而從常規意義上來講,這一共振現象基本都屬于機械“共振”。同時在高中物理教科書中,也同樣對機械“共振”現象做出了明確的定義,即受迫振動振幅最大的現象,而受迫振動則是指物體在周期性外力(驅動力)的作用下所產生的振動,這種振動現象是相對于自有振動而言的。在穩定的情況下,受迫振動的周期等同于驅動力的周期,但與物體的固有周期無關,因而當物體出現受迫振動時,其振幅會先隨著驅動力頻率的升高而不斷增大,在到達最大值后,則會隨著頻率的升高而縮小,而機械共振自然也就是指當首破振動的振幅達到最大值時的現象,同時也可以將機械共振看作是受迫振動的一種特例。
2 高中物理知識中的機械“共振”現象
2.1 原子結構中的共振
原子結構中的共振現象主要是指能量吸收中的共振吸收形式,而在高中物理知識中,涉及這一問題的則是波爾原子模型。波爾的原子理論時是以能級假設、跳遷假設以及軌道量子化假設為基礎的,其中能級假設是指原子只能處于一系列不連續的能量狀態中,在這些狀態中原子是穩定的,電子雖然繞核運動,但并不向外輻射能量;而跳遷假設則是指當原子從一種定態躍遷到另一種定態時,會輻射或吸收一定頻率的光子。當電子從高能態像低能態躍遷時為能量釋放,而從低能態向高能態躍遷則為能量吸收,能量吸收需要通過外來光子向核外電子的能量傳遞來實現,如光子頻率滿足電子躍遷的能量差,那么就會出現共振吸收的現象。
2.2 聲學中的共振
在聲學方面,共振現象又被稱為共鳴,簡單來說就是當物體在共振的情況下共同發出聲音,而共鳴現象則正是高中物理中的重要知識。高中物理中共鳴這一知識點可通過簡單的實驗現象來進行理解,即兩個頻率相同且帶有共鳴箱的音叉,之后用小槌打擊音叉A的叉股,在音叉A發聲后,再用手按住音叉A的叉股,使A停止發聲,這時我們可以發現,音叉B雖然未被敲打,但仍然發出了聲音。這主要是因為:音叉A的被敲時發生了振動,并在空氣中激起聲波,而聲波有傳到音叉B,給音叉B以周期性的驅動力,同時由于音叉A、B的固有頻率相同,符合產生共振的條件,因此B的振幅最大,自然也就能夠在不敲打音叉B的情況下使音叉B發出聲音,而這種現象正是共鳴現象,同時也可以看作是聲音中的共振現象。
2.3 電學中的共振
在高中物理的電學知識中,共振現象也同樣有所體現,例如在電磁波的發射與接收這一課程中,電磁波的接收過程中震蕩電路就會出現共振現象。一般來說,電磁波接收過程中的振蕩電路的狀態是完全不同的,而根據震蕩電路不同的狀態,其出現的振動現象也完全不同。其中當振蕩電路為非理想狀態且有電阻時,電阻會發熱并成為阻尼振動;當振蕩電路中有外加的周期性電動勢作用時,震蕩電路振動則會將成為受迫振動;而當外加電動勢的頻率與電路自由振蕩的固有頻率ω相同時,接收電路中產生的振蕩電流最強,振幅也會達到最大值,而這種振動現象自然也就被稱為電磁共振或電諧振,相當于機械振動中的共振。
3 機械“共振”現象在現實生活中的應用
在現實生活中,機械共振的應用同樣是十分廣泛的。首先在軍事方面,信息通訊技術不發達的古代常常會利用共振現象來制作共鳴器,從而實現軍情預警,例如唐代的軍隊中普遍配備一種叫空胡鹿的行軍枕,這種行軍枕由皮革制成,枕頭的內部能夠形成空穴,當遠處產生聲音時,聲音能夠通過地面傳播到空穴,并在空穴處產生交混回響,這樣一來,敵人的動向、遠近、人數等就能夠通過空穴中的交混回響判斷出來,從而達到“凡人馬行在三十里外,東西南北皆響聞”的效果。另外,在建筑施工領域,共振現象的應用同樣非常常見,例如當建筑工人在澆灌混凝土的墻壁或地板時,為了提高質量,常常會使用振蕩器進行震蕩,從而是混凝土更加密實,而振蕩器恰恰是利用共振現象的原理進行工作的。
4 結束語
總而言之,機械共振現象在高中物理知識不僅局限于機械振動知識,同時在原子結構、光學、電學、聲學等不同領域的物理知識之中,我們在學習物理知識時如果能夠將其聯系起來,那么對知識點的深入分析與理解就能夠起到非常大的幫助。
參考文獻
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收稿日期:2018-10-5