橫波縱波波動演示儀

杜 倩,代 偉,蔣金華，王 漫

(西華師范大學(xué) 物理與空間科學(xué)學(xué)院,四川 南充 637002)

在高中物理機械波學(xué)習(xí)中，波的形成和傳播是課堂教學(xué)中的重點和難點，在教學(xué)中做好課堂演示實驗可讓學(xué)生直觀感受波的形成與傳播. 為了讓學(xué)生更加直觀地觀察橫波和縱波的產(chǎn)生以及傳播情況，自制了橫波縱波波動演示儀. 演示儀利用曲柄滑塊機構(gòu)將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變成直線往復(fù)運動，以此帶動橡皮筋和圓柱形彈簧振動得到橫駐波與縱駐波. 演示儀原理清晰，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，用于波動課堂教學(xué)演示能激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲.

1 教材中手搖式波動演示儀器的不足

文獻[1]對波的形成與傳播的實驗探究中，提供的實驗演示裝置如圖1～2所示，該儀器具體操作方法是：握住手柄逆時針轉(zhuǎn)動，直至所有振子排列均勻并整體振動時，即可順時針旋轉(zhuǎn)手柄，不斷轉(zhuǎn)動就會形成橫波和縱波，橫波一側(cè)面對學(xué)生，學(xué)生便會觀察到橫波，縱波一側(cè)面對學(xué)生，學(xué)生便會觀察到縱波.

圖1 橫波演示器

圖2 縱波演示器

手搖式橫波、縱波演示儀器在課堂教學(xué)中存在一定不足：1)傳統(tǒng)的手搖式波動演示器上的各質(zhì)點是獨立的，給學(xué)生建立的是不完整的物理模型；2)橫波、縱波演示儀器只能分開進行演示，不能在同一個裝置上同時展示出橫波與縱波的形成與傳播，教學(xué)演示時還需要2個裝置；3)操作復(fù)雜繁瑣，先要逆時針使所有振子排列均勻并整體振動時才能順時針旋轉(zhuǎn)觀察波的情況.

2 自制波動演示儀

自制橫波縱波波動演示裝置如圖3所示. 裝置由木板、橡皮筋、圓柱形螺旋彈簧、直流調(diào)速電動機、曲柄滑塊機構(gòu)(結(jié)構(gòu)如圖4所示)、可調(diào)直流以及數(shù)字電壓表等組成. 為了更好地測量出橫波和縱波的波長，在橫軸和縱軸木板上貼噴繪刻度尺. 演示橫波時通過振子上下往復(fù)運動帶動水平方向的橡皮筋上下振動，此時振動方向與波的傳播方向垂直，調(diào)節(jié)橡皮筋的松緊和電機的轉(zhuǎn)速，當(dāng)調(diào)到某一值時便可在水平方向觀察到橫駐波，改變橡皮筋的松緊和電機的轉(zhuǎn)速可改變橫波的波長和振幅. 演示縱波時通過振子上下往復(fù)運動帶動豎直方向的拉伸彈簧上下振動，此時振動方向與波的傳播方向一致，調(diào)節(jié)彈簧的松緊和電機的轉(zhuǎn)速，當(dāng)調(diào)到某一值時便可在豎直方向觀察到縱駐波，改變彈簧的松緊和電機的轉(zhuǎn)速可改變縱波的波長和振幅. 在振子上安裝共振片或共振圓環(huán)可演示共振現(xiàn)象.

圖3 橫波縱波波動演示儀

圖4 曲柄滑塊機構(gòu)

3 儀器操作方法

1)橫波的觀察

演示橫波時，首先將電壓調(diào)節(jié)旋鈕旋至最低再接通電源，同步調(diào)節(jié)電壓和橡皮筋長度，直至看到清晰的橫駐波圖像，如圖5所示. 繼續(xù)增大電壓，波的個數(shù)也會增加，根據(jù)相鄰2個波節(jié)或波腹間水平方向的距離相差半個波長，在橫波上找出2個相鄰波節(jié)或波腹，就可算出該橫波的波長.通過演示儀學(xué)生可看到橫波的形成與傳播過程.

圖5 橫波圖像

2)縱波、共振的觀察

和橫波觀察操作類似，調(diào)整輕質(zhì)彈簧長度的同時改變電機電壓，直至清晰的縱波出現(xiàn)，現(xiàn)象如圖6所示. 繼續(xù)增大電壓，波的個數(shù)就會增加. 通過振動圖像看到振動密處是波腹，振動疏處是波節(jié)，波腹到波腹的距離是半個波長，進而知道波長. 通過演示儀學(xué)生可看到縱波的形成與傳播過程.

圖6 縱波圖像

將共振條或共振圈裝在振子上，當(dāng)振子振動時，調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，當(dāng)電機轉(zhuǎn)速為某一值時就會觀察到共振現(xiàn)象.

4 教具在物理教學(xué)中的作用

觀察和實驗是學(xué)習(xí)物理的基礎(chǔ)，也是物理教學(xué)的重要手段. 利用教具開展物理教學(xué)對學(xué)生的感性知識的形成，以及學(xué)生觀察能力的培養(yǎng)具有獨特的作用，同時也是物理教學(xué)的重要手段.自制橫波縱波波動演示儀在物理教學(xué)過程中發(fā)揮以下作用：a.給學(xué)生提供豐富的感性材料，加深學(xué)生對橫波、縱波的形成和2種波的特點的理解；b.有針對性設(shè)計制作教具，演示波動現(xiàn)象，創(chuàng)設(shè)物理情境，能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和動手能力.

5 教具創(chuàng)新之處

橫波縱波波動演示儀是對傳統(tǒng)橫波、縱波演示儀器的不足的改進，此裝置巧妙地利用曲柄滑塊機構(gòu)將電機的旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)檎褡拥纳舷峦鶑?fù)運動，通過調(diào)節(jié)電機的電壓就可調(diào)節(jié)振子的頻率，裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作簡單，得到的橫波、縱波圖像完整、穩(wěn)定，便于學(xué)生觀察. 通過對比加深學(xué)生對橫波、縱波的理解與記憶，而且通過此教具使學(xué)生對受迫振動也會有更深的認識.

[1] 陳熙謀，吳祖仁. 普通高中課程標準實驗教科書物理(選修3-4)[M]. 北京：北京科學(xué)出版社，2006：22-24.

[2] 孫榮恪，顏建廈，周慶龍. 利用廢舊吸管自制波動演示器[J]. 中國現(xiàn)代教育裝備，2015(2)：37-39.

[3] 龐小梅,彭懿. 自制橫波演示儀[J]. 中學(xué)物理(高中版),2016，34(1)：42.

[4] 李陽，王宏，韓艷玲. 橫波演示儀的設(shè)計與制作[J]. 物理通報,2015(9):68-69.