波動(dòng)振動(dòng)動(dòng)態(tài)演示儀的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

喬曉午 張 靜

一、選題背景

在講授人教版高中物理選修3-4《質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)》和《機(jī)械波》兩部分知識(shí)時(shí)，學(xué)生對(duì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)圖像和波在介質(zhì)中傳播的波動(dòng)圖像產(chǎn)生混淆。振動(dòng)圖像和波動(dòng)圖像從圖形上看很相似，但實(shí)際上它們有本質(zhì)的區(qū)別。

(1)物理意義不同：振動(dòng)圖像表示同一質(zhì)點(diǎn)在不同時(shí)刻的位移，波動(dòng)圖像表示介質(zhì)中的各個(gè)質(zhì)點(diǎn)在同一時(shí)刻的位移。

(2)圖像的橫坐標(biāo)的單位不同：振動(dòng)圖像的橫坐標(biāo)表示時(shí)間，波動(dòng)圖像的橫坐標(biāo)表示距離。

(3)從振動(dòng)圖像上可以讀出振幅和周期，從波動(dòng)圖像上可以讀出振幅和波長(zhǎng)。

在常規(guī)教學(xué)中經(jīng)常用到列表法使學(xué)生比較學(xué)習(xí)波動(dòng)圖像與振動(dòng)圖像的區(qū)別與聯(lián)系(如圖1所示)。但是該方法的不足之處是學(xué)生不能直觀地感受波動(dòng)和振動(dòng)圖像的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，尤其是學(xué)生在解決時(shí)間變化時(shí)，波動(dòng)和振動(dòng)兩個(gè)圖像的變化問(wèn)題，學(xué)生不容易畫(huà)出正確的變化后的圖像形狀。

圖1 波動(dòng)圖像與振動(dòng)圖像的區(qū)別與聯(lián)系

再如，學(xué)生解決兩種圖像隨時(shí)間變化的問(wèn)題有較大難度(如圖2所示)。因此萌生了制作一個(gè)可以動(dòng)態(tài)展示波動(dòng)和振動(dòng)圖像的教具的想法。

圖2

二、基本思路

1.思路

通過(guò)對(duì)波動(dòng)中常見(jiàn)的問(wèn)題進(jìn)行匯總和思考，得出了最終要做一個(gè)波動(dòng)振動(dòng)同步變化又能分開(kāi)展示的教學(xué)儀器的目標(biāo)。于是查閱了相關(guān)書(shū)籍和網(wǎng)上的參考資料，又向高級(jí)教師咨詢了相關(guān)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，最終確定了研究的思路和方向：設(shè)計(jì)方案，繪出圖紙，準(zhǔn)備材料，制作完成，進(jìn)行驗(yàn)證，探究使用。確定項(xiàng)目后，就開(kāi)始著手做各種準(zhǔn)備。

2.設(shè)計(jì)方案

由于質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)圖像和機(jī)械波的波動(dòng)圖像在形狀上具有相似性，因此用同一個(gè)正弦圖像表示振動(dòng)和波動(dòng)。為了達(dá)到同步效果，兩個(gè)圖像顯示采用共軸轉(zhuǎn)動(dòng)原理。根據(jù)振動(dòng)和波動(dòng)的動(dòng)態(tài)變化特點(diǎn)，選擇使用錯(cuò)位遮擋法區(qū)別圖像。

變化規(guī)律的不同。考慮到學(xué)生接受能力弱的特點(diǎn)，首先初步分開(kāi)演示，然后再同步比較演示，所以設(shè)計(jì)了遮幕實(shí)現(xiàn)分開(kāi)展示的效果。

為了突出波源振子的振動(dòng)，設(shè)計(jì)了放大管突出波源運(yùn)動(dòng)，可以使學(xué)生更容易理解波源在波傳播過(guò)程中的波動(dòng)和振源振動(dòng)之間的關(guān)系。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖如圖3～5所示。

圖3

圖4

圖5

三、使用的材料

廢棄門(mén)框1個(gè)，鋁塑板2塊，轉(zhuǎn)軸2根，噴繪幕布1條，調(diào)速電機(jī)1臺(tái)，有機(jī)玻璃管1根。

四、制作方法

將各種準(zhǔn)備好的材料收集起來(lái)開(kāi)始制作，制作的具體實(shí)施步驟：依據(jù)項(xiàng)目的制作原理，構(gòu)思演示儀的輪廓和結(jié)構(gòu)；根據(jù)演示儀的輪廓和結(jié)構(gòu)，繪制草圖；準(zhǔn)備所需的材料、器材和工具。

制作探究?jī)x的具體步驟如下。

框架的制作：框架采用了木質(zhì)材料制作而成。選擇合適的尺寸切割，再把框兩邊的中部掏一個(gè)長(zhǎng)方形的空槽用來(lái)安裝和固定前后的鋁塑板。

幕布的制作：量好鋁塑板上開(kāi)口的尺寸，將幕布需要裁剪的部分進(jìn)行剔除，并將幕布首尾相接，做成閉合的傳送履帶。

傳動(dòng)軸的安裝：將軸承架用長(zhǎng)螺絲固定在框架上(注意兩個(gè)軸要平行)，將軸纏上橡皮膏防止打滑，然后安裝到軸承架上。

放大管的制作：將一個(gè)有機(jī)玻璃管選擇合適的長(zhǎng)度裁剪，在管中加滿水并將兩頭用橡膠塞密封。為了便于安裝，在放大管兩端加裝粘連，便于在前顯示板固定和拆卸。

最后調(diào)試：調(diào)節(jié)變速開(kāi)關(guān)，使電機(jī)運(yùn)行速度快慢適中，檢查遮布的遮光效果和中間幕布的轉(zhuǎn)動(dòng)情況。

制作過(guò)程：在學(xué)校創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室將各種部件材料組裝制作成最終的儀器。

五、作品結(jié)構(gòu)實(shí)物圖及使用

實(shí)物圖如圖6～9所示。

圖6

圖7

圖8

圖9

使用方法。首先將放大管固定好，并將要演示的窗口上的遮布取下，接通電源；打開(kāi)電機(jī)開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速使幕布以適當(dāng)?shù)乃俣葎蛩俎D(zhuǎn)動(dòng)，在窗口處展示動(dòng)態(tài)圖像；轉(zhuǎn)換遮擋窗口，進(jìn)行下一個(gè)圖像的展示；根據(jù)需要進(jìn)行兩個(gè)圖像的同步動(dòng)態(tài)展示，并在適當(dāng)位置關(guān)閉開(kāi)關(guān)暫停，讓學(xué)生觀察瞬時(shí)狀態(tài)。

六、創(chuàng)新點(diǎn)

可以演示質(zhì)點(diǎn)簡(jiǎn)諧振動(dòng)過(guò)程，動(dòng)態(tài)演示簡(jiǎn)諧振動(dòng)時(shí)位移—時(shí)間圖像的描繪過(guò)程，演示波動(dòng)的傳播過(guò)程，觀察振源振動(dòng)和波動(dòng)傳播的關(guān)系，演示振源振動(dòng)和波動(dòng)傳播隨時(shí)間變化時(shí)的動(dòng)態(tài)規(guī)律?，F(xiàn)象明顯、安全可行，能將振動(dòng)波動(dòng)圖像進(jìn)行分開(kāi)和同時(shí)動(dòng)態(tài)展示，也可以隨時(shí)暫停對(duì)學(xué)生進(jìn)行即時(shí)講解。使用簡(jiǎn)單，操作方便，原理準(zhǔn)確，科學(xué)環(huán)保。

七、結(jié)語(yǔ)

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，隨時(shí)注意觀察生活，用發(fā)現(xiàn)的眼睛和智慧的雙手、發(fā)現(xiàn)、制作。這樣能夠發(fā)明創(chuàng)造出各式各樣、新奇獨(dú)特的教具，給教學(xué)帶來(lái)意想不到的妙處。創(chuàng)新教具在素質(zhì)教育實(shí)施的今天，能夠照亮發(fā)明創(chuàng)造征程。