駐波法在功能模塊化物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

羅 浩,向澤英,馬婷婷

(西南科技大學(xué),四川綿陽(yáng) 621010)

駐波法在功能模塊化物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

羅 浩,向澤英,馬婷婷

(西南科技大學(xué),四川綿陽(yáng) 621010)

基于功能模塊化教學(xué)模式,用駐波法原理完成了超聲波速度、微波波長(zhǎng)以及弦線密度3個(gè)物理量的測(cè)量,傳遞了“同一物理原理解決不同實(shí)際問(wèn)題”的模塊化教學(xué)理念,有利于學(xué)生系統(tǒng)掌握物理知識(shí),提高綜合運(yùn)用知識(shí)的能力。

駐波;超聲波波長(zhǎng);微波波長(zhǎng);弦線密度

模塊化教育模式起源于20世紀(jì)70年代的歐美國(guó)家,中國(guó)從90年代開始進(jìn)行探索。孫維民等在《開放型物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)與實(shí)踐》中建立分層次、模塊化的開放型物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,以培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析、解決問(wèn)題的能力,提高學(xué)生的綜合素質(zhì)[1];何軍鋒等在《基于實(shí)驗(yàn)中心的物理實(shí)驗(yàn)?zāi)K化管理研究與實(shí)踐》中對(duì)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)開設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行了闡述,提出了實(shí)驗(yàn)室提供儀器,學(xué)生自主組建團(tuán)隊(duì),自主選題,自主設(shè)計(jì)模塊化實(shí)驗(yàn)的具體實(shí)施思路[2];毛祥慶等在《工科物理實(shí)驗(yàn)功能模塊化教學(xué)探索》中對(duì)西南科技大學(xué)用光杠桿、邁克爾遜干涉儀、楊氏模量、光柵衍射等多種方式測(cè)量微小長(zhǎng)度的模塊化教學(xué)模式進(jìn)行了闡述,在培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用物理知識(shí)的能力方面起到了良好的效果[3]。

西南科技大學(xué)近年來(lái)將功能模塊化教學(xué)方法貫穿于科學(xué)出版社出版的自編教材《新編大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》中,在實(shí)際教學(xué)中多處體現(xiàn)用同一個(gè)物理原理解決不同實(shí)際問(wèn)題,同一個(gè)物理量用不同方法進(jìn)行測(cè)量的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)思路,目前設(shè)計(jì)了有微小長(zhǎng)度的測(cè)量、折射率的測(cè)量、示波器的應(yīng)用、電阻的測(cè)量等多個(gè)模塊,隨著實(shí)驗(yàn)的開展和不斷總結(jié),師生們正在開發(fā)出更多的教學(xué)模塊,如駐波法原理在不同實(shí)驗(yàn)場(chǎng)合的應(yīng)用即為最新開發(fā)出的教學(xué)模塊[4]。

1 駐波原理

在同一介質(zhì)中兩列頻率、振動(dòng)方向相同,而且振幅也相同的簡(jiǎn)諧波,在同一直線上沿相反方向傳播時(shí)就會(huì)發(fā)生疊加而形成駐波,如圖1所示。

圖1 駐波示意圖

駐波的表達(dá)式為

2 駐波法測(cè)超聲波速度

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

聲波傳播過(guò)程中滿足以下關(guān)系:v=λ·f(其中v表示波速,λ表示波長(zhǎng),f表示頻率)。只要測(cè)得λ和f,即可算出聲速v。據(jù)此原理可用駐波干涉法測(cè)λ,共振法測(cè)f,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波波速的測(cè)量[4]。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用ZKY-SSA型聲速測(cè)定實(shí)驗(yàn)儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn),如圖2所示。

圖2 超聲波速度測(cè)量裝置

S1和S2是壓電陶瓷超聲換能器,低頻信號(hào)發(fā)生器輸出的正弦交變電壓信號(hào)接到發(fā)射頭S1上,發(fā)出一平面聲波。接收頭S2接收到的聲壓轉(zhuǎn)換成交變的正弦電壓信號(hào)后輸入示波器觀察。S2在接收超聲波的同時(shí)還反射一部分超聲波。這樣,發(fā)射和反射的超聲波在S1與S2之間的區(qū)域多次反射疊加,當(dāng)間距為λ/2整數(shù)倍時(shí)形成駐波。逐漸改變間距,在一系列特定的位置上S2上的聲壓達(dá)到極大值,相鄰兩極大值之間的距離為λ/ 2,間距變化用游標(biāo)尺加手輪讀數(shù)測(cè)得。另外調(diào)節(jié)低頻信號(hào)發(fā)生器的頻率直到振幅最大,此時(shí)系統(tǒng)達(dá)到共振,讀得的頻率即超聲源的振動(dòng)頻率f[5]。

2.3 結(jié)果分析與討論

測(cè)得固有頻率為f=38.000 kHz。連續(xù)10次振幅達(dá)到最大值時(shí)的坐標(biāo)如表1:

表1 振幅達(dá)到最大值時(shí)的坐標(biāo)

由逐差法算得

由共振干涉法測(cè)得超聲波速度

查得實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下超聲波速度理論值

v=338.9m/s,

可知相對(duì)誤差

3 駐波法測(cè)微波波長(zhǎng)

3.1 實(shí)驗(yàn)原理

微波喇叭既能接收微波,同時(shí)它也會(huì)反射微波,因此發(fā)射器發(fā)射的微波在發(fā)射喇叭和接收喇叭之間來(lái)回反射,振幅逐漸減小。當(dāng)發(fā)射源距接收檢波點(diǎn)之間的距離等于λ/2整數(shù)倍時(shí),經(jīng)多次反射的微波與最初發(fā)射的波同相,此時(shí)信號(hào)振幅最大,電流表讀數(shù)最大[6-9]。發(fā)射器不動(dòng)時(shí)接收器移動(dòng)的距離Δd與出現(xiàn)接收到信號(hào)幅度最大值的次數(shù)N之間的關(guān)系為:

3.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用ZKY-W型微波光學(xué)實(shí)驗(yàn)儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn),將發(fā)射器和接收器處于同一軸線上,如圖3所示,接收器沿鋼尺緩慢滑動(dòng)遠(yuǎn)離發(fā)射器,當(dāng)電流表在某一位置出現(xiàn)極大值時(shí),記下接收器所處位置刻度X1,然后緩慢將接收器沿遠(yuǎn)離發(fā)射器方向緩慢滑動(dòng),當(dāng)電流表讀數(shù)出現(xiàn)10個(gè)極小值后再次出現(xiàn)極大值時(shí),記下接收器所處位置刻度X2。

圖3 微波光學(xué)實(shí)驗(yàn)儀

3.3 結(jié)果分析與討論

數(shù)據(jù)結(jié)果見表2。

表2 10次極大值間隔

由表中數(shù)據(jù)可算得

查儀器參數(shù)可知

λ=2.84 cm,

由此可得相對(duì)誤差

4 駐波法測(cè)弦線密度

4.1 實(shí)驗(yàn)原理

對(duì)于一條伸長(zhǎng)的弦,相鄰兩波腹之間距離為λ/2,弦長(zhǎng)L與波腹數(shù)k的關(guān)系為

駐波為橫波,在弦上的傳播速度為

其中μ表示弦線密度。

將(1)、(2)式代入v=λ·f,得繃緊的尼龍弦線的固有頻率為

兩邊平方可改寫為

令

則

f2=Km。

通過(guò)儀器測(cè)出f,m,可得系數(shù)K,再數(shù)出波腹數(shù)k,測(cè)出弦長(zhǎng)L,則可算得線密度

4.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用CI-6871G型PASCO綜合實(shí)驗(yàn)儀來(lái)測(cè)定弦線密度[7]。該儀器利用各種傳感器來(lái)收集數(shù)據(jù),并運(yùn)用DataStudio軟件來(lái)收集和處理數(shù)據(jù)。如圖4。

圖4 弦線密度測(cè)量

將尼龍弦線一端與弦線振動(dòng)器連接,另一端繞過(guò)定滑輪,定滑輪掛鉤上懸掛質(zhì)量為m的砝碼。實(shí)驗(yàn)時(shí),懸掛砝碼質(zhì)量分別為50 g、100 g、150 g、200 g、250 g時(shí),調(diào)節(jié)振動(dòng)頻率,使尼龍線顯示出4個(gè)波腹,記下振動(dòng)頻率,并用米尺測(cè)出振動(dòng)器到定滑輪的弦長(zhǎng)L。

4.3 結(jié)果分析與討論

測(cè)得定滑輪的弦長(zhǎng)L=1.30m,波腹數(shù)k=4,電子天平稱得有效部位弦線質(zhì)量m=0.504 3 g, f2和m數(shù)據(jù)如表3。

表3 f2和m對(duì)應(yīng)關(guān)系

將 f2和m數(shù)據(jù)作線性擬合圖如下。

圖5 f2~m

由圖5可得,擬合度為0.999 67,斜率

K=58.92 Hz2/g,

實(shí)測(cè)線密度μ(g/m)0.393 7

μ0=0.387 9 g/m

相對(duì)誤差

5 結(jié) 論

駐波法還可以用來(lái)測(cè)量空氣絕熱指數(shù)[8]、光速、超聲波衰減系數(shù)、反射系數(shù)等諸多物理量,由于篇幅有限就不一一贅述。近幾年的功能模塊化教學(xué)實(shí)踐證明,學(xué)生在與教師一起進(jìn)行模塊化實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中,更加熟練、系統(tǒng)地掌握了力、熱、電、磁、光、近代物理及現(xiàn)代科技的物理知識(shí)體系,綜合運(yùn)用知識(shí)的能力有了大幅提升,一定程度上擺脫了實(shí)驗(yàn)教材驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的束縛,使學(xué)生真正具備了靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

[1] 孫維民,國(guó)安幫,趙褰.開放型物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2013(6):17-20.

[2] 何軍鋒,姚軍財(cái),潘宏利,等.基于實(shí)驗(yàn)中心的物理實(shí)驗(yàn)?zāi)K化[J].管理研究與實(shí)踐,2011(10): 23-31.

[3] 毛祥慶.工科物理實(shí)驗(yàn)功能模塊化教學(xué)探索[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,1998(2):4-7.

[4] 周自剛,趙福海.新編大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M].科學(xué)出版社,2013(5):41-45.

[5] 任隆良,宋克威,劉金來(lái).駐波法測(cè)量聲速實(shí)驗(yàn)中的非完全駐波[J].物理通報(bào),2002(2):41-45.

[6] 陳森,吳平,劉京亮,等.微波分光儀角錐喇叭天線的優(yōu)化[J].物理實(shí)驗(yàn),2009(6):13-17.

[7] 張健,劉茂軍,肖利.用駐波法測(cè)量弦線密度的實(shí)驗(yàn)研究[J].物理教師,2013(4):50-53.

[8] 劉穎剛,李明,韓黨衛(wèi).駐波法測(cè)量空氣絕熱指數(shù)的研究[J].陜西師范大學(xué)學(xué)報(bào),2003(4):15-18.

[8] 張俊玲.駐波法測(cè)量聲速實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)誤差分析[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2012(5):81-83.

Application of Standing W ave M ethod in Function M odularization in Physics Experiment Teaching

LUO Hao,XIANG Ze-ying,MA Ting-ting
(Southwest University of Science and Technology,Sichuan Mianyang 621010)

Based on function modularization teaching mode,completed measurement of three physical quantities include ultrasonic wavelength,microwave wavelength and string density by standing wave method, transfer themodular teaching idea of“the same physical principle to solve different problems”,helps students master the knowledge of the physics of the system,and improve the comprehensive ability to use knowledge.

standing wave;ultrasonic wavelength;microwave wavelength;string density

O 4-33

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.006.013

1007-2934(2015)06-0043-04

2015-03-26

西南科技大學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)項(xiàng)目(15syjs-17);西南科技大學(xué)高教專項(xiàng)課題(15gjzx12);西南科技大學(xué)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(15xnkf-07、15xnkf-11);西南科技大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目(15KCSJ014)。