自制駐波演示儀

趙雪 鄭淵方

摘? ?要：振動是自然界普遍存在的現(xiàn)象，振動會產(chǎn)生機(jī)械波。在物理學(xué)習(xí)中，駐波是比較重要并且抽象難懂的內(nèi)容。因此，生動又直觀的實驗現(xiàn)象往往比理論更容易讓學(xué)生理解?；诖耍P者制作了駐波演示儀，可以直觀演示駐波，并且對駐波的原理、儀器的制作過程和演示效果進(jìn)行了介紹，希望對教學(xué)有積極意義。

關(guān)鍵詞：機(jī)械波;振動;駐波

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2019）4-0048-3

1? ? 引? 言

駐波是物理教學(xué)中比較重要的一部分內(nèi)容。在駐波教學(xué)中，很多教師普遍感到學(xué)生不容易全面且正確地理解、掌握好駐波知識，而學(xué)生對于這部分抽象的知識確實是難以理解，筆者對此感同身受。怎樣改進(jìn)駐波教學(xué)，才能得到比較好的教學(xué)效果呢？在調(diào)查分析學(xué)生掌握不好的原因，以及分析有關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，筆者找到一種較好的方法，即通過簡易自制教具演示駐波現(xiàn)象，以此來對教學(xué)以及學(xué)生產(chǎn)生積極影響，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)物理的積極性。

駐波是自然界一種十分常見的現(xiàn)象，生活中無處不在，例如水波、樂器發(fā)聲、樹梢震顫等都與駐波有關(guān)[2]。筆者在分析了大量過去的自制駐波演示儀器中，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)自制教具中采用彈性繩或者水為介質(zhì)，效果直觀明顯。為了比較形象、直觀、方便地演示駐波，本次制作也選擇了彈性繩作為研究介質(zhì)。

2? ? 儀器制作

2.1? ? 制作原理

本儀器原理是通過制作一個可以上下做周期振動的裝置，帶動波載體產(chǎn)生入射波，入射波又經(jīng)過固定點反射回來，當(dāng)入射波與反射波這兩列波疊加在一起，在一定條件下形成了駐波。

制作難點就在于怎樣做一個上下振動的裝置。淘寶所賣的振動器大多價格昂貴，不適用于此?？紤]過打點計時器的探針上下振動是否可以達(dá)到想要的效果，但畢竟打點計時器是一個完整的器材，僅僅利用探針有點大材小用。最后經(jīng)過反復(fù)試驗，反復(fù)改進(jìn)，選擇了一個名為“凸輪”的機(jī)械結(jié)構(gòu)。如圖1所示。

當(dāng)下方偏心輪轉(zhuǎn)動時，就可以帶動上方圓盤以及桿上下振動。由于偏心輪轉(zhuǎn)一圈所用時間相等，即上下振動周期也相等。

2.2? ? 材料的選擇

本著節(jié)約的精神，也希望啟迪學(xué)生隨時動手體驗物理，本次制作所用材料大多是廢舊物品，在生活中隨處可見。這更加契合了物理來源于生活，與生活息息相關(guān)。

2.2.1? ? 振動源

筆者希望可以做一種簡易、實用的裝置，所以采用電動機(jī)作為振動源，高速旋轉(zhuǎn)帶動豎直軸上下周期振動，從而帶動彈性繩產(chǎn)生入射波，經(jīng)過節(jié)點處反射形成反射波，兩列波疊加形成駐波。

2.2.2? ? 波載體

如前所述，波載體采用彈性繩，在生活中隨處可見，而且效果直觀明顯。

2.2.3? ? 其他材料

如圖2所示，電源和電動機(jī)是從閑置的剃須刀上拆卸下來的，達(dá)到廢物二次利用的目的。電源可以直接進(jìn)行充電，因此不會造成干電池廢棄污染環(huán)境;并且自帶開關(guān)，省去了接入開關(guān)的步驟，方便簡潔，一物二用。

豎直軸采用的是使用完的筆芯，這種東西對于學(xué)生來說隨手可得，借助廢棄筆芯制作教具的某一部分，一定會對學(xué)生有所啟示，帶動其動手學(xué)物理的積極性，啟發(fā)學(xué)生從生活中發(fā)現(xiàn)物理。

外殼是馬克杯的包裝盒，可以在盒子上鉆洞，連接螺絲、螺母，固定電動機(jī)等物品。

2.3? ? 儀器的制作過程

2.3.1? ? 凸輪結(jié)構(gòu)制作

如圖1所示，凸輪主要由安裝在電動機(jī)軸上的偏心輪、水平放置的圓盤以及豎直桿組成。

筆者希望使用最簡單的方法進(jìn)行制作，所以將鐵片剪成橢圓，然后將邊緣打磨光滑，在偏心位置鉆一個與電動機(jī)轉(zhuǎn)軸大小相近的孔，然后用強(qiáng)力膠將偏心輪固定在轉(zhuǎn)軸上，但不要接觸到電機(jī)機(jī)身，待強(qiáng)力膠干透后，電機(jī)轉(zhuǎn)動，帶動偏心輪高速旋轉(zhuǎn)。

在此想要解釋一點，一般最容易想到的連接方法是焊接，但是鐵材料與電機(jī)軸材料不同，無法焊接，而且電烙鐵又不是家中常備物品，所以采用強(qiáng)力膠進(jìn)行粘合。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在市面上的膠水同樣具有很強(qiáng)大的功能和優(yōu)點。本次粘合使用的強(qiáng)力膠具有很多優(yōu)點：第一，它很適合粘接鐵質(zhì)類產(chǎn)品。第二，這種膠水很容易操作，只需要將兩種膠水混合，涂抹在需要粘接的部位即可。第三，這種膠水一般常溫固化，并且具有優(yōu)良的電絕緣性能，對粘接的鐵質(zhì)物品起到一個很好的保護(hù)作用。最重要的是，強(qiáng)力膠屬于高強(qiáng)度強(qiáng)膠水，能有效粘接鐵質(zhì)類物品，不會輕易脫落，并且固化后具有彈性，可以保護(hù)物品的安全。

關(guān)于材料，其實在日常生活中隨處可見。本次實驗材料來源于廢棄易拉罐，將易拉罐側(cè)面剪一個大小適度的橢圓，然后在偏心位置鉆孔（孔的大小應(yīng)該以緊緊套在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上為合適），安裝在轉(zhuǎn)軸上，用強(qiáng)力膠進(jìn)行粘合。如圖3所示。

2.3.2? ? 安裝彈性繩

將彈性繩系在筆芯頂部，然后可以用筆芯堵封住，防止在振動過程中彈性繩掉落。

2.3.3? ? 電路連接

電路連接采取初中所學(xué)的最簡單的電路——串聯(lián)電路，將電源與電動機(jī)串聯(lián)即可。完整裝置如圖4所示。

3? ? 儀器的使用

待裝置充電完成后，用手拉住彈性繩一端，打開開關(guān)，適當(dāng)調(diào)節(jié)松緊，當(dāng)入射波碰到手指處節(jié)點進(jìn)行反射，反射波與入射波疊加，（下轉(zhuǎn)第51頁）

（上接第49頁）即可看到駐波，可以明顯看到波節(jié)、波腹，在波腹處振動激烈，波節(jié)處幾乎無振動，如圖5、圖6所示。

4? ? 總? 結(jié)

本自制教具并沒有采用高難度的制作方法，而是使用最簡單的串聯(lián)電路，并且振動原理也很容易理解。材料也沒有購買昂貴的東西，而是使用生活中隨處可見的廢舊物品。這些細(xì)節(jié)勢必會對學(xué)生產(chǎn)生影響，讓他們認(rèn)識到廢舊物品不一定要丟棄，還可以利用所學(xué)知識，開動腦筋，創(chuàng)造一個全新的物品。學(xué)生在課后，可能也會產(chǎn)生制作儀器的想法，只要他們敢想敢做，就一定會產(chǎn)生積極效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]李光輝，李文斌，劉玲令.駐波教學(xué)淺談[J].湘潭師范學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2008，30（2）：208.

[2]劉明忠.繩駐波演示儀的制作與使用[J].物理教學(xué)探討，2016，34（5）：59-60.

（欄目編輯? ? 王柏廬）

收稿日期：2018-10-23

作者簡介：趙雪（1996-），女，福建師范大學(xué)學(xué)科教學(xué)物理專業(yè)在讀研究生;鄭淵方，女，福建師范大學(xué)物理與能源學(xué)院碩士研究生指導(dǎo)教師。