橫波演示儀的設(shè)計與制作*

李 陽　王 宏　韓艷玲

[中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)數(shù)學(xué)與物理學(xué)院　湖北 武漢　430074]

*中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)2014-2015學(xué)年度教學(xué)實驗室開放基金項目，項目編號：SKJ2014216

橫波演示儀的設(shè)計與制作*

李 陽王 宏韓艷玲

[中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)數(shù)學(xué)與物理學(xué)院湖北 武漢430074]

*中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)2014-2015學(xué)年度教學(xué)實驗室開放基金項目，項目編號：SKJ2014216

摘 要：機械波可分為橫波和縱波，在中學(xué)物理教學(xué)中橫波是重點和難點，為了幫助學(xué)生更好地理解橫波的形成與傳播過程，基于橫波的特點討論了一種橫波演示儀的設(shè)計與制作，它能夠真實地演示出橫波的形成與傳播過程.

關(guān)鍵詞：橫波演示儀設(shè)計制作

在物理學(xué)中，橫波是機械波的一種，其特點是波源質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向相互垂直.在中學(xué)物理教學(xué)中，由于橫波的形成與傳播過程比較抽象，學(xué)生理解起來需要具備較強的抽象思維能力，因此，它一直被列為教學(xué)中的重點和難點.對于大學(xué)物理教學(xué)來說，也有一定意義.

為了幫助學(xué)生更好地理解橫波的形成與傳播過程，方便他們牢固地掌握機械波的相關(guān)知識，筆者認(rèn)為不僅需要借助物理模型的分析，更需要用實驗加以演示.傳統(tǒng)的橫波演示儀大都是根據(jù)橫波所具有的特點來加以模擬，如文獻[1]和文獻[2]中分別公開了一種橫波演示儀，它們都能夠演示出橫波的波形，但是，它們都是模擬式的，演示出的橫波缺乏真實感，容易給學(xué)生造成“偽科學(xué)”的印象.因此，筆者通過對橫波物理原理加以分析，設(shè)計制作出了一種新型的橫波演示儀，它能夠真實地演示出橫波的形成與傳播過程，演示效果較為明顯，寫出來與讀者進行交流.

1橫波的物理原理

機械波分為橫波和縱波，其中橫波是生活中比較常見的一種.對于機械波來講，它的形成需要有波源的振動，在向外傳播時需要有介質(zhì)的空間.橫波的特點是波源質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向相互垂直.

如圖1所示，不失一般性，開始時，一系列質(zhì)點均處于平衡位置，受力為零，質(zhì)點之間的空間充滿了彈性介質(zhì).當(dāng)其中的某一個質(zhì)點O在周期性的回復(fù)力作用下開始向y的正方向做簡諧運動以后，與之相鄰的質(zhì)點就會在彈性介質(zhì)的牽引下重復(fù)前一質(zhì)點的簡諧運動形式，隨著時間的推移，這種運動的形式會延續(xù)下去，進而形成一列沿x方向的波，而且，質(zhì)點的振動方向和波的傳播方向在空間中相互垂直，即形成了一列橫波.如圖2所示，為質(zhì)點O做簡諧運動經(jīng)過兩個周期后的橫波波形.

圖1　處于平衡位置的一系列質(zhì)點

圖2　經(jīng)過兩個周期后的橫波波形

2橫波演示儀的設(shè)計思想

根據(jù)前面的分析，筆者設(shè)計制作出了一種結(jié)構(gòu)簡單的橫波演示儀.圖3為該裝置的設(shè)計簡圖.

圖3　設(shè)計簡圖

本演示儀的外部是一個左右對稱的門形支架，它由豎直桿、弧形套管、水平桿以及圓形底座組合而成，能為內(nèi)部的擺列提供懸掛的附著點；內(nèi)部的擺列由一系列等間距、相同的單擺組成，擺線輕質(zhì)且長度相同，相鄰的擺球之間由輕質(zhì)彈性繩相連接，最靠近豎直桿的兩個擺球由輕質(zhì)彈性繩和相應(yīng)的豎直桿相連，輕質(zhì)彈性繩均處于自然狀態(tài).圖4所示的是自制的橫波演示儀實物，它和設(shè)計簡圖描述的設(shè)計思想相對應(yīng).

圖4　橫波演示儀實物

開始時，一列擺球都在平衡位置處于靜止?fàn)顟B(tài)，這和圖1所示的情況相一致.當(dāng)對最靠近兩端豎直桿的某一個擺球施加一個垂直于豎直面的輕微擾動時，這個擺球便開始在垂直于豎直面的方向上做小振幅的近似簡諧運動，擺球的運動通過輕質(zhì)彈性繩帶動相鄰的擺球開始做簡諧運動，隨著時間的推移，這種運動的形式在空間中逐漸展開，形成一列橫波.

3橫波演示儀的演示效果

圖5

(1)觀察方法.因為擺球是在垂直于豎直的門形支架平面方向上運動的，所以在觀察演示效果時需要俯視.

(2)工作原理.當(dāng)最右端的擺球在垂直于豎直門形支架平面方向上做簡諧運動時，通過輕質(zhì)彈性繩牽動相鄰的第二個擺球運動，這種運動的形式將會傳播下去.擺球的運動方向和波傳播的方向垂直，形成一列橫波，從而真實地演示出了橫波的產(chǎn)生與傳播的物理過程，一目了然.

(3)擺球的數(shù)量若越多、越密集，則演示出的波形越明顯，后面的運動情形持續(xù)的時間就會越長，越便于觀察.

4結(jié)語

本文基于橫波的特點，討論了一種橫波演示儀的設(shè)計與制作方法，并在此基礎(chǔ)上清楚地展示出了它的演示效果.

同傳統(tǒng)的模擬式橫波演示儀相比，它能夠真實地演示出橫波的形成與傳播的過程，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉等諸多優(yōu)點，在本領(lǐng)域中具有一定的技術(shù)進步意義，可供相關(guān)的物理教學(xué)借鑒.

參 考 文 獻

1譚浩.橫波演示儀和縱波演示儀的制作方法.物理通報，1955，5(8)：507～510

2何丙華.一種橫波演示儀：中國專利，ZL200820045774.6.2008-12-31

Design and Production on Shear Wave Demonstrator

Li YangWang HongHan Yanling

(School of Mathematics and Physics，China University of Geosciences，Wuhan,Hubei430074)

Abstract：Transverse wave is a kind of typical mechanical wave，and it is also one of the important and difficult points of physics teaching in middle school. In order to helping students with a better understanding of the process of formation and transmission about the transverse wave，We have discussed a kind of design and fabrication of transverse wave demonstration apparatus which is based on the characteristics of the transverse wave. It can be truly demonstrated the process of formation and transmission about the transverse wave.

Key words：transverse wave；demonstration apparatus；design；fabrication

收稿日期：(2015-03-18)

作者簡介：指導(dǎo)教師：韓艷玲(1965- )，女，博士，教授，主要從事大學(xué)物理教學(xué)及研究.