谈谈物体受迫振动与固有频率

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  图1例题:很多同学有过疑问:“声音具有能量吗?它具有的能量与声音的响度和频率是不是有关呢?”某同学对其中两个问题进行探究,实验装置如图所示:A为一个圆筒,它的一端用剪成圆片的挺直的纸(纸的中间剪一圆孔)粘牢,另一端用塑料薄膜包住并绷紧,用橡皮筋扎牢.B为一只点燃的蜡烛.完成表中的内容.
  为保证每次实验声音的频率相同,你的做法是__________ .
  这是2011年菏泽市的一道物理中考题,原题给出的是:表格如下;拍一次或每次拍的快慢相同.
  分析:表格里的答案是完全正确的;问题出在:答案“为保证每次实验声音的频率相同,你的做法是拍一次或每次拍的快慢相同”上.真的拍一次或者每次拍的快慢相同就“保证每次实验声音的频率相同”吗?为了回答这个问题,我们先来研究一个与之类似的击鼓例子,即怎样改变鼓声的频率?鼓声的频率是由鼓皮的震动快慢决定的,因此想改变鼓声频率应考虑从改变鼓皮震动快慢入手,例如改变鼓皮的绷紧程度、改变击鼓的位置(击打在鼓心和鼓的边缘位置,鼓皮的震动是不一样的)、改变鼓皮的厚度、改变鼓的厚度(因为鼓内中空的空气也在影响鼓皮的震动,所以改变鼓的厚度可以改变鼓内的空气厚度,进而影响鼓皮的震动).显然改变击鼓的快慢是不能改变鼓声的频率的,因为虽然敲物体可以使物体振动,但敲的快慢与物体自身振动的快慢即敲的频率与物体固有的频率不是一回事.最典型的是编钟,某个音调的编钟,无论你敲得快还是慢,它会始终发出这个音调的声音.所以本例题最后一个问题的答案可以是:
  答案:在该装置塑料薄膜的同一位置拍打.
  延伸:其实,上述问题涉及到物体受迫振动与物体固有频率的问题.物体在驱动力作用下的振动叫受迫振动,物体作受迫振动的频率取决于外界振动的频率;而物体的固有频率是物体的一种物理特征,由它的结构、大小、形状等因素决定,这种物理特征是不以它是否处于振动状态而转移.如果敲一下,物体往往会自由振动,这个振动的频率是物体固有频率,如果持续敲击,物体就会做受迫振动,振动的频率由外力的频率决定.值得说明的是,当周期性驱动力的频率和物体的固有频率相等时振幅达到最大,即共振.所以部队行军到桥上,是不可以齐步走的,因为当士兵的走步频率与桥梁的自振频率相同时就会发生共振,理论上振幅可到无穷大致使桥梁崩塌.
  [1.江苏省泰兴市迎幸实验学校 (225400)2.江苏省泰兴中学 (225400)]
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