一種聲駐波演示裝置

黎 蕊，代 偉，龔韓莉

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

兩列沿相反方向傳播的振幅相同、頻率相同的波疊加時(shí)形成的波叫作駐波。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)。駐波是物理教學(xué)中比較重要的一部分內(nèi)容[1]。駐波是一種常見的物理現(xiàn)象。各種樂器的發(fā)聲原理都是和駐波相關(guān)的。比如常見的弦樂器和管樂器分別是利用了弦上的駐波和管中的駐波進(jìn)行發(fā)聲。由于駐波應(yīng)用的廣泛性，國(guó)外的很多高中物理教材都把關(guān)于駐波的理論和應(yīng)用列入其中。聲音是一種可以聽得到，卻摸不著的物質(zhì)，同樣聲駐波現(xiàn)象也十分常見，比如：任意兩面平行的墻壁之間都會(huì)有聲駐波現(xiàn)象的產(chǎn)生，此外，將耳朵放在保溫杯的瓶口會(huì)聽到里面嗡嗡的聲音，這也是聲駐波現(xiàn)象。在實(shí)際的教學(xué)過程中老師如果沒有直觀的演示裝置只用抽象的語(yǔ)言來描述抽象的聲駐波現(xiàn)象學(xué)生不易理解。那么，怎樣得到兩列沿相反方向傳播的波，而且這兩列波的振幅和頻率都相同呢?在實(shí)踐中一般是利用了波的反射。比如說弦上的駐波，當(dāng)聲波傳播到固定端時(shí)會(huì)發(fā)生反射，反射波與入射波傳播方向相反，振幅和頻率都相同。因此，入射波和反射波的疊加形成駐波[2]。對(duì)于管中的駐波，當(dāng)聲波傳播到閉口端時(shí)同樣發(fā)生反射，入射波和反射波疊加形成駐波。

聲駐波是縱波學(xué)生理解起來有一定困難，要使學(xué)生很好地理解聲波的知識(shí)往往需要借助相關(guān)教學(xué)儀器，但現(xiàn)有的聲駐波演示裝置很少且效果不太好，操作不夠方便，因此很難吸引學(xué)生的注意力，為了解決這一難題以便更好地吸引學(xué)生的興趣，提高教學(xué)效果，對(duì)現(xiàn)有的聲駐波演示裝置進(jìn)行了改進(jìn)。新的演示裝置不需要信號(hào)發(fā)生器，只需要在手機(jī)上下載信號(hào)管理器App就可以得到需要的音頻信號(hào)，該軟件所有的控制都可通過手機(jī)實(shí)現(xiàn)，可以動(dòng)態(tài)改變聲音信號(hào)，然后將音頻信號(hào)通過功率放大器放大后加到揚(yáng)聲器上，揚(yáng)聲器使密閉有機(jī)玻璃管中的泡沫顆粒振動(dòng)就可直觀地觀察到聲駐波現(xiàn)象。新設(shè)計(jì)的聲駐波演示裝置成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作材料易得，加之儀器外形美觀，很有創(chuàng)意，更能吸引學(xué)生的注意力，使學(xué)生對(duì)駐波是如何形成的理解起來更加容易。同時(shí)該儀器還能增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的趣味性和直觀性，從而培養(yǎng)學(xué)生對(duì)科學(xué)的研究興趣，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新精神。

1 聲駐波演示裝置的工作原理

2個(gè)周期為T，波長(zhǎng)為λ，振幅為A的簡(jiǎn)諧波沿著x軸向相反方向傳播。

沿x軸正方向傳播的波稱為右行波，波動(dòng)方程為

y1=Acos2π(t/T-x/λ)

(1)

沿x軸負(fù)方向傳播的波稱為左行波，波動(dòng)方程為

y2=Acos2π(t/T+x/λ)

(2)

合成后的駐波方程為式為

y=y1+y2=2Acos2π(x/λ)cos2π(t/T)

(3)

可見，合成后的波上的任何一點(diǎn)都在做同一周期的簡(jiǎn)諧振動(dòng)[3-5]。

2 聲駐波演示裝置的結(jié)構(gòu)

聲駐波演示裝置如圖1所示，將一圓形有機(jī)玻璃管粘接在兩個(gè)有機(jī)玻璃板支架上，右邊支撐板與有機(jī)玻璃管密封粘接，左邊支架套接在有機(jī)玻璃管外面并用亞克力膠水粘好。揚(yáng)聲器的喇叭直徑大小要和有機(jī)玻璃管直徑大小配套購(gòu)買。本裝置購(gòu)買的有機(jī)玻璃管的外徑為125 mm，壁厚5 mm，長(zhǎng)800 mm。喇叭尺寸為6.5寸，功率80 W，阻抗4 Ω，該喇叭的喇叭內(nèi)口剛好可以套在125 mm的有機(jī)玻璃管外徑上。在安裝喇叭之前將適量的球形小泡沫顆粒裝于有機(jī)玻璃管中，然后將喇叭用螺絲固定在左邊支架上，保證喇叭和有機(jī)玻璃管連接起來后形成一個(gè)密閉的空腔不漏氣。音頻信號(hào)通過手機(jī)下載信號(hào)管理器App獲得，該裝置通過手機(jī)App上的信號(hào)發(fā)生器軟件提供音頻信號(hào)。音頻信號(hào)經(jīng)過功率放大器將信號(hào)放大后加在揚(yáng)聲器上，揚(yáng)聲器使有機(jī)玻璃管中的空氣振動(dòng)進(jìn)而使管中的泡沫顆粒振動(dòng)。為了能觀察到比較明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象本裝置選用12 V，100 W大功率數(shù)字功放車載低音炮功放，功放由可調(diào)直流電源供電。演示裝置通過揚(yáng)聲器讓聲波在有機(jī)玻璃管中傳播，當(dāng)聲波傳到機(jī)玻璃管閉口的另外一端時(shí)發(fā)生反射，于是入射波和反射波在有機(jī)玻璃管中疊加形成駐波，在駐波的作用下有機(jī)玻璃管中的泡沫顆粒重新排布，模擬出駐波的波性特征，這樣在管子外面就能直觀地看到聲駐波這一抽象的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

圖1 改進(jìn)后的聲駐波演示裝置

3 聲駐波演示裝置的優(yōu)點(diǎn)

如圖2所示是某種聲波的波形演示效果照片。

圖2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

該裝置的優(yōu)點(diǎn)在于：一是演示裝置用有機(jī)玻璃管和亞克力板制作，二者可用亞克力膠水粘接而成制作起來容易，加之管子直徑較大且透明便于觀察，由于管子完全密封管內(nèi)泡沫振動(dòng)不受外界影響，排除了外部干擾；二是通過手機(jī)App下載信號(hào)發(fā)生器供演示裝置使用就不需要外部信號(hào)發(fā)生器硬件，成本低。演示時(shí)通過手機(jī)就可以非常方便地調(diào)節(jié)信號(hào)的頻率和大小，操控起來非常方便，如果功放信號(hào)采用藍(lán)牙接收器接受還可通過手機(jī)無線控制，這樣使儀器的操作非常精確和簡(jiǎn)單。學(xué)生也能用自己的手機(jī)下載信號(hào)管理器App或播放一首歌曲利用該裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察歌曲播放時(shí)什么時(shí)候泡沫顆粒振動(dòng)強(qiáng)，什么時(shí)候振動(dòng)弱，加強(qiáng)了師生之間的互動(dòng)，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性；三是實(shí)驗(yàn)裝置的制作材料獲得容易儀器制作成本低，加工制作簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，便于學(xué)生觀察，這樣更有助于學(xué)生對(duì)聲駐波的理解。

5 結(jié) 語(yǔ)

物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)對(duì)于物理教學(xué)來說是最基本、最重要的教學(xué)方法和手段。同樣物理作為一門源于生活的學(xué)科，它與的生活息息相關(guān)，抽象復(fù)雜的物理現(xiàn)象可能會(huì)使對(duì)于物理學(xué)科的學(xué)習(xí)產(chǎn)生畏難情緒，所以對(duì)于創(chuàng)新人才需求量越來越大的今天，為了培養(yǎng)創(chuàng)新人才在物理教學(xué)過程中老師多設(shè)計(jì)制作一些創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教具用于物理教學(xué)，不但可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣還能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。改進(jìn)后的聲駐波演示能夠很好地實(shí)現(xiàn)上述目的，該教具不但新穎而且實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，操作簡(jiǎn)便，還可讓學(xué)生參與其中這樣可大大激發(fā)學(xué)生的興趣。利用該教具可以把抽象的物理現(xiàn)象直觀地展示在學(xué)生面前也能很好地突破教學(xué)重難點(diǎn)，提高教學(xué)效果。