用自制水波投影儀演示波動(dòng)現(xiàn)象

吳嘉欣 鄭學(xué)旎 余小玉 李德安

(1. 東華高級(jí)中學(xué),廣東 東莞 523000; 2. 華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院,廣東 廣州 510006; 3. 松崗實(shí)驗(yàn)學(xué)校,廣東 深圳 518105)

機(jī)械波是2017人教版高中物理選擇性必修1第3章的內(nèi)容,是高中物理中較為抽象難懂的部分,對(duì)學(xué)生的理解力和空間想象力有較高的要求.因此,直觀演示是幫助學(xué)生理解波動(dòng)現(xiàn)象的重要手段.由于水波是一種常見的機(jī)械波,波動(dòng)現(xiàn)象直觀明顯,故傳統(tǒng)的演示裝置主要為發(fā)波水槽(常見的有手動(dòng)式、電磁式和氣動(dòng)式3種),但存在振頻不穩(wěn)定、演示功能少、不利于課堂展示等問(wèn)題.本文展示的水波投影儀將藍(lán)牙和振源連接,再將手機(jī)連接藍(lán)牙,通過(guò)手機(jī)音頻發(fā)生器實(shí)現(xiàn)對(duì)振頻的精確控制,形成穩(wěn)定的波紋,配合滑軌和擋板即可演示多種波動(dòng)現(xiàn)象;并通過(guò)投影將現(xiàn)象清晰地呈現(xiàn)豎直屏幕上,組裝簡(jiǎn)便,便于攜帶,有助于課堂演示,從而克服了傳統(tǒng)發(fā)波水槽的問(wèn)題,對(duì)激發(fā)學(xué)生好奇心、幫助學(xué)生理解相關(guān)概念、解決教學(xué)重難點(diǎn)有著顯著的作用.

圖1 裝置側(cè)視圖

1 制作原理

水波投影儀由光源、振動(dòng)源、透明水槽、投影箱等構(gòu)成(如圖1).在透明水槽中加入少量清水，啟動(dòng)振動(dòng)源，振針以一定頻率上下振動(dòng)，不斷敲擊水面，形成水波.從上方光源發(fā)出的光線經(jīng)45°平面反射鏡后，即可將水面的波紋投影到投影箱前的白色屏幕上.通過(guò)豎直屏幕即可觀察到水的各種波動(dòng)現(xiàn)象.

1.1 振動(dòng)原理

本教具將揚(yáng)聲器接在功率放大器的輸出端,藍(lán)牙板接在功率放大器的輸入端.將手機(jī)和藍(lán)牙板配對(duì)連接,就可以通過(guò)手機(jī)音頻信號(hào)發(fā)生器輸出音頻信號(hào),控制揚(yáng)聲器振動(dòng),電路圖如圖2所示.將塑料瓶的上半瓶身固定在揚(yáng)聲器的振動(dòng)盆中,瓶蓋上固定鋼尺,鋼尺前端固定振針,制作成振動(dòng)源,如圖3所示.揚(yáng)聲器振動(dòng)時(shí)帶動(dòng)振針振動(dòng),敲擊水面,即可形成水波.

圖2 振動(dòng)源控制電路

圖3 振動(dòng)源實(shí)物圖

1.2 顯示原理

本教具提供的光源為頻閃光源,由LED燈、功率放大器、藍(lán)牙板、電源和開關(guān)組成,電路圖如圖4所示.將LED燈、藍(lán)牙板分別接在功率放大器的輸出端和輸入端.將手機(jī)和藍(lán)牙板配對(duì)連接,即可通過(guò)手機(jī)音頻信號(hào)發(fā)生器輸出音頻信號(hào)(如圖5),控制LED燈以一定頻率閃亮,制作成頻閃燈.當(dāng)頻閃光的頻率和水波振源的頻率相同時(shí),光和水波同步,投影靜止,畫面定格;當(dāng)頻閃光頻率比振源頻率稍大時(shí),光每次打到水波上的位置都滯后于前一次,所以投影向內(nèi)收縮;當(dāng)頻閃光頻率比振源頻率稍小時(shí),投影向外擴(kuò)展.[1]

圖4 頻閃光源控制電路

圖5 手機(jī)音頻發(fā)生器操作界面

2 制作流程

(1) 搭建裝置.

用激光切割機(jī)切割亞克力板,制作光源支架、水槽和投影箱;制作好后,將45°平面鏡放入投影箱中,水槽架到投影箱上,并放置光源支架;將LED燈固定在光源支架上.

圖6 控制電路實(shí)物圖

(2) 制作頻閃光源控制電路.

將LED燈和藍(lán)牙板A分別接在功率放大器A的輸出端和輸入端;將手機(jī)A和藍(lán)牙板A配對(duì)連接,制作成頻閃燈.功率放大器由3節(jié)鋰電池供電,藍(lán)牙板由3節(jié)5號(hào)電池供電,如圖6所示.

(3) 制作振動(dòng)源.

將滑軌釘在木箱上,再將揚(yáng)聲器固定在滑軌上;截取塑料瓶上半瓶身,將其固定在揚(yáng)聲器振動(dòng)盆中,瓶蓋上固定鋼尺,鋼尺前端固定振針,制成振動(dòng)源.

(4) 制作振動(dòng)源控制電路.

將揚(yáng)聲器和藍(lán)牙板B分別接在功率放大器B的輸出端和輸入端;將手機(jī)B和藍(lán)牙板B配對(duì)連接,從而控制揚(yáng)聲器以一定頻率振動(dòng).

(5) 制作擋板.

切割白色亞克力板,制作成擋板.整個(gè)教具的正、反面如圖7、8所示.

圖7 教具正面圖

圖8 教具背面圖

3 功能演示

3.1 演示波的反射現(xiàn)象

當(dāng)水波在傳播過(guò)程中碰到障礙物時(shí),就會(huì)發(fā)生反射.在水面上放置一個(gè)擋板后,將一個(gè)振針向上旋轉(zhuǎn)一定角度,只讓另一個(gè)振針敲擊水面,形成水波;閉合振源、光源開關(guān),打開手機(jī)A、B的音頻信號(hào)發(fā)生器,將振源和光源的頻率設(shè)置為30 Hz,再通過(guò)手機(jī)音量鍵調(diào)節(jié)振源的振幅和光源的亮度,由圖9即可觀察到波源發(fā)出的圓形水波遇直線界面反射的現(xiàn)象.

圖9 水波反射現(xiàn)象

圖10 水波衍射現(xiàn)象

3.2 演示水波的衍射現(xiàn)象

水波繞過(guò)障礙物,偏離直線傳播而進(jìn)入幾何陰影,且明暗分布不均勻的現(xiàn)象,為水波的衍射現(xiàn)象.[2]將一個(gè)振針向上旋轉(zhuǎn)一定角度,只讓另一個(gè)振針敲擊水面;在水面上放置兩個(gè)擋板,形成單縫,適當(dāng)調(diào)整縫寬;閉合開關(guān),通過(guò)手機(jī)分別調(diào)節(jié)好振源的頻率、振幅以及光源的頻率、亮度后,由圖10即可觀察到水波出現(xiàn)在擋板的幾何陰影部分,且明暗分布不均勻的衍射現(xiàn)象.

3.3 演示水波的干涉現(xiàn)象

如果兩列波頻率相等,在觀察時(shí)間內(nèi)波動(dòng)不間斷且在相遇處振動(dòng)方向沿同一直線,它們疊加后產(chǎn)生的合振動(dòng)在有些地方加強(qiáng),有些地方減弱,振動(dòng)加強(qiáng)的區(qū)域和振動(dòng)減弱的區(qū)域相互隔開,這種現(xiàn)象叫做波的干涉.[2]閉合開關(guān),通過(guò)手機(jī)調(diào)節(jié)好兩個(gè)振針振動(dòng)的頻率和振幅,以及光源的頻率和亮度,即可觀察到水波的干涉現(xiàn)象.適當(dāng)調(diào)節(jié)兩個(gè)振針的間距,還可以觀察到條紋寬度隨振針間距增大而減小的情況,如圖11、圖12所示.

圖11 振針間距較小

圖12 振針間距較大

3.4 演示多普勒效應(yīng)

多普勒效應(yīng)指出,當(dāng)觀察者與波源之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),接收的頻率相對(duì)發(fā)射的頻率會(huì)發(fā)生變化.當(dāng)波源與觀察者相互靠近時(shí),頻率變高,波長(zhǎng)變短.當(dāng)波源與觀察者相互遠(yuǎn)離時(shí),頻率變低,波長(zhǎng)變長(zhǎng).[2]將一個(gè)振針向上旋轉(zhuǎn)一定角度,只讓一個(gè)振針敲擊水面;閉合振源和光源開關(guān),調(diào)節(jié)好振源的頻率和振幅,以及光源的頻率和亮度,形成穩(wěn)定的水波;移動(dòng)滑軌,固定在滑軌上的揚(yáng)聲器帶動(dòng)振針沿直線運(yùn)動(dòng),即可觀察到在波源運(yùn)動(dòng)方向上,波紋變密,頻率變高;而在波源運(yùn)動(dòng)的反方向上,波紋變疏,頻率變低,如圖13、圖14所示.

圖13 多普勒效應(yīng)1

圖14 多普勒效應(yīng)2

4 教學(xué)作用

(1) 激發(fā)學(xué)生興趣,增進(jìn)學(xué)生理解.

機(jī)械波是高中物理中較為抽象難懂的內(nèi)容,直觀演示有助于增進(jìn)學(xué)生對(duì)波動(dòng)現(xiàn)象的感性認(rèn)識(shí),進(jìn)而理解波動(dòng)現(xiàn)象中的抽象概念.本教具提供了豐富的演示功能,現(xiàn)象清晰明顯,而且創(chuàng)造性地采用智能手機(jī)連接藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率的控制,原理也不復(fù)雜,可以有效地能激起學(xué)生的好奇心和求知欲望,讓學(xué)生感受到現(xiàn)代科技的魅力,從而促進(jìn)學(xué)生對(duì)波的理解.

(2) 拓展課堂教學(xué)內(nèi)容,培養(yǎng)科學(xué)探究能力.

本教具除了演示教材中提及的波現(xiàn)象外,還可用于探究圓形波波長(zhǎng)和頻率的關(guān)系、探究惠更斯原理等,有助于感興趣的學(xué)生進(jìn)行課外探究,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和實(shí)踐能力.