簡易龍卷風(fēng)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方案

從巖 鄧錦熙

摘 要：繩駐波演示儀是將電動機(jī)轉(zhuǎn)動軸的圓周運(yùn)動轉(zhuǎn)化為曲軸在豎直平面內(nèi)上下的周期性運(yùn)動，從而帶動彈性細(xì)繩產(chǎn)生入射波，入射波經(jīng)固定點(diǎn)反射形成反射波，當(dāng)反射波與入射波疊加在一起，產(chǎn)生駐波的演示儀器。

關(guān)鍵詞：駐波；繩駐波；演示儀

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2016）5-0059-2

駐波是自然界中十分常見的一種現(xiàn)象，例如水波，樂器發(fā)聲，樹梢震顫等。為了比較形象、直觀地演示駐波，筆者制作了繩駐波演示儀。繩駐波演示儀是用彈性繩演示駐波的儀器，通過電動機(jī)的轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)化為曲軸在豎直平面內(nèi)上下的周期性運(yùn)動，從而帶動彈性細(xì)繩（即本裝置的彈性繩）產(chǎn)生一列入射波，入射波經(jīng)固定點(diǎn)反射回來，當(dāng)反射波與入射波疊加在一起，滿足一定的條件時就產(chǎn)生了駐波。

1 器材清單

小型電動機(jī)一個（6 V），彈性繩一根（80 cm左右），長木板一塊（長80 cm左右），固定支架兩個，教學(xué)電源一個（J1209），滑動變阻器一個（50歐），導(dǎo)線若干。

2 制作方法

2.1 改造電動機(jī)轉(zhuǎn)動軸

將小型電動機(jī)（6 V）的轉(zhuǎn)動軸改裝成轉(zhuǎn)動曲軸，如圖1所示。

2.2 安裝彈性繩

先將兩固定支架固定在長木板兩端合適的位置，再將彈性繩適當(dāng)拉緊，兩端固定在固定支架。調(diào)節(jié)好彈性繩與小型電動機(jī)轉(zhuǎn)動曲軸最低點(diǎn)之間的距離（彈性繩與電動機(jī)轉(zhuǎn)動曲軸最低點(diǎn)之間距離可調(diào)），如圖2所示。

2.3 連接電路

按照圖3中的電路圖把教學(xué)電源、小型電動機(jī)、滑動變阻器、開關(guān)、導(dǎo)線等將電路連接。

3 基本用途

該演示儀可演示“彈性繩振動產(chǎn)生的橫波與駐波現(xiàn)象”。

接通開關(guān)，如圖2所示，電動機(jī)轉(zhuǎn)動時曲軸每轉(zhuǎn)到最低點(diǎn)時周期性敲擊彈性繩，就會在彈性繩上產(chǎn)生一列入射波，經(jīng)彈性繩另一固定點(diǎn)反射，形成反射波，兩列波在適當(dāng)?shù)臈l件下疊加，可以看到中央凸起的波腹處振動最激烈，波節(jié)處幾乎無振動，最終產(chǎn)生明顯的駐波效果。調(diào)節(jié)滑動變阻器，改變電動機(jī)的輸入電流，改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變電動機(jī)敲擊彈性1 實(shí)驗(yàn)原理

該教具針對人教版初中物理九年級第14章第4節(jié)中流體與流速之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)了簡易龍卷風(fēng)實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置通過將離心風(fēng)機(jī)和調(diào)速器相連，組成一個簡易吸塵器，進(jìn)而形成小型龍卷風(fēng)。吸塵器的吸力是由離心風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的，而調(diào)速器在吸塵器中起著穩(wěn)速、調(diào)速的作用，進(jìn)而控制小型龍卷風(fēng)的轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生可控制的吸力，驗(yàn)證流體壓強(qiáng)與流速之間的關(guān)系。

2 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)圖（圖1）

離心風(fēng)機(jī)參數(shù)：

脈寬調(diào)整器參數(shù)：

實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖如圖2所示。

3 實(shí)驗(yàn)裝置的操作步驟

3.1 前導(dǎo)實(shí)驗(yàn)

將調(diào)速器旋鈕調(diào)至最大，再接通電源。將乒乓球放置于漏斗處，發(fā)現(xiàn)乒乓球在漏斗處不停撞擊，卻沒有掉下。慢慢調(diào)小調(diào)速器，乒乓球墜落。

3.2 主實(shí)驗(yàn)

步驟1：調(diào)速器旋鈕調(diào)至最大，再接通電源，可觀察到瓶中小紙屑繞中軸旋轉(zhuǎn)，呈龍卷風(fēng)現(xiàn)象。將彈簧測力計(jì)上的乒乓球放置于進(jìn)風(fēng)口處，使乒乓球處于平衡狀態(tài)，彈簧測力計(jì)讀數(shù)記為N1。

4 在教學(xué)中的使用方法

（1）此教具結(jié)合風(fēng)吹漏斗中乒乓球不掉落的實(shí)驗(yàn)，吸引學(xué)生注意，引導(dǎo)學(xué)生思考。

（2）還可以鼓勵學(xué)生自己動手，制作教具，并分析產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因。

5 說 明

（1）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的最大亮點(diǎn)是將龍卷風(fēng)具體化，并通過對比實(shí)驗(yàn)來分析流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系。

（2）實(shí)驗(yàn)裝置，具有制作簡單，操作方便，現(xiàn)象明顯且使用安全的特點(diǎn)。

編者按：本裝置的原理及實(shí)驗(yàn)與電動吸塵器類似，請參閱文獻(xiàn)[1]。

參考文獻(xiàn)：

[1]林躍強(qiáng)，等.中學(xué)物理真空實(shí)驗(yàn)的幾點(diǎn)改進(jìn)建議[J].物理教學(xué)探討，2012，30（7）：54—55.