實時波形演示裝置與波的圖像

劉 閏

(云南省曲靖市民族中學(xué)，云南 曲靖 655000)

1 引言

現(xiàn)行高中教學(xué)中機(jī)械波是重點章節(jié),課本中采用抖動軟繩,簡單演示橫波,并無直觀實驗演示正弦波．在實際教學(xué)中教師多采用沙漏斗和拖板實驗給學(xué)生展示正弦波形,但受實驗本身限制,要求拖板勻速移動、沙漏振動的衰減要盡量小等,使得課堂演示效果不明顯．同時該實驗用單擺振動代替學(xué)生熟悉的質(zhì)點往復(fù)振動,造成一定的認(rèn)知困難．

2 實驗設(shè)計的簡圖

1. 光電門立柱； 2. 滑塊立柱(左)； 3. 滑槽(左)； 4. 連桿(左)； 5. 軸承(左)； 6. 電機(jī)箱(左)； 7. 開關(guān)(左)； 8. 滑塊(左)； 9. 橫桿； 10. 波形演示板； 11. 滑塊立柱(右)； 12. 滑槽(右)； 13. 滑塊(右)；14.連桿(右)；15.電機(jī)箱(右)；16.軸承(右)

圖1 實驗裝置整體示意圖

1. 光電門立柱； 2. 滑塊立柱； 3. 滑槽； 8. 滑塊； 18. 光電門信號接收器； 19. 光電門信號發(fā)射器； 20. 光電門數(shù)據(jù)顯示器； 21. 導(dǎo)線

圖2 光電門連接示意圖

2. 滑塊立柱； 3. 滑槽； 4. 連桿； 5. 軸承；6. 電機(jī)箱； 7. 開關(guān)； 8. 滑塊； 17. 電機(jī)

圖3 電機(jī)箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

3 演示實驗的操作步驟

裝置的安裝:在水平桌面如實驗設(shè)計圖(圖1)固定好演示板和兩個機(jī)箱;將電門信號接收器18安裝在光電門立柱1上,光電門信號發(fā)射器19巧妙地固定在滑塊立柱2上.

圖4 電機(jī)箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 實驗裝置機(jī)箱正視圖

3.1 橫波的演示

(1) 將第一串珠子固定在滑塊立柱2上,然后將電源打開.

(2) 打開調(diào)速開關(guān),進(jìn)行調(diào)節(jié),直到觀察到穩(wěn)定的波形時,停止調(diào)節(jié).

(3) 在合適的波形下,打開計時器的開關(guān),進(jìn)行周期的測量;在演示板刻度尺處讀出一個完整波形的波長(若要更精確便捷地讀出波長,可使用頻閃相機(jī)或智能手機(jī)連拍功能記錄某半周期下相應(yīng)的波形樣圖進(jìn)行靜止讀數(shù)).

(4) 繼續(xù)旋調(diào)速開關(guān)的旋鈕,調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速,在另一個波形下讀出周期和波長.

(5) 重復(fù)步驟4進(jìn)行多次測量,并處理數(shù)據(jù),計算出該種介質(zhì)的波速．

3.2 波的衰減的演示

步驟同橫波的演示.

3.3 波的疊加演示

(1) 第二串珠子固定在滑塊立柱2上,然后將電源打開.

(2) 打開調(diào)速開關(guān),進(jìn)行左邊電動機(jī)的調(diào)節(jié),直到觀察到穩(wěn)定的波形時,停止調(diào)節(jié).

(3) 進(jìn)行右邊電動機(jī)的調(diào)節(jié),觀察在演示板中央的波形疊加情況.

繼續(xù)旋調(diào)速開關(guān)的旋鈕,調(diào)節(jié)兩個電動機(jī)的轉(zhuǎn)速,觀察波形疊加．

4 使用效果

用途1:用于橫波的演示.

方法:同操作步驟2,并進(jìn)行觀察,圖7所示．

圖6 橫波波形圖

圖7 波的衰減圖

用途3:定性驗證機(jī)械波在介質(zhì)中的傳播速度只與介質(zhì)的種類有關(guān).

方法: (1) 參照用途1步驟,如圖9所示測出對應(yīng)的周期和波長,并記錄在表格中.

圖8 波長、周期測量圖

圖9 同一介質(zhì)波長和周期的關(guān)系圖

(2) 利用Excel軟件處理數(shù)據(jù).

表1 波演示圖樣周期(T)、波長(λ)記錄及

(3) 分析數(shù)據(jù)．同一介質(zhì)下,機(jī)械波在同種介質(zhì)下的傳播速度不變．

用途4:可以探究機(jī)械波的波動圖像和質(zhì)點振動的關(guān)系.

方法:如操作步驟2,并觀察紅色的珠子．

圖10 機(jī)械波的波動圖像

用途5:波的疊加的演示.

方法:如操作步驟4,可以觀察到在演示板的中央出現(xiàn)波的疊加．

用途6:驗證不同介質(zhì)中機(jī)械波波速不同.

選用不同的連珠、鏈環(huán)、或合適的繩測波速并比較,步驟同2.

用途7:證明機(jī)械波的傳播是振動狀態(tài)的傳播

不是質(zhì)點的傳播.

圖11 機(jī)械波的波動圖像疊加

舍棄了教材中用手抖動細(xì)繩來演示機(jī)械波,更加準(zhǔn)確的觀察穩(wěn)定的波,增加了學(xué)生的求知欲和課堂的趣味性;能激發(fā)學(xué)生探求真知的熱情,學(xué)會用科學(xué)探究方法研究物理問題．

1 楊軍,馮源,黃鑑.“機(jī)械波的形成和傳播”教學(xué)設(shè)計及課堂實[J].物理通報,2014(1)： 72-74．