結合頻閃制作的水波干涉演示儀

楊冰 陳楊 劉金甫 代珍兵

摘 ? 要：在高中物理“波的干涉”教學中，常常采用生活中的水波進行直觀演示，但傳統(tǒng)水波干涉演示儀現(xiàn)象不夠清晰且不易帶入課堂。為便于教師課堂教學演示，利用揚聲器、功放等生活中常見的材料制作水波干涉演示儀，配合手機頻閃軟件使實驗圖像變得更加清晰，制作方法簡單且演示效果好，對于物理教學或者科普展示都有一定的推廣價值。

關鍵詞：水波干涉;頻閃;拓展;物理教學;演示儀

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ?文章編號：1003-6148（2022）2-0045-3

“水波的干涉”是“波的干涉”一節(jié)中的重要實驗，新課改后，機械振動、機械波由原來的選學內(nèi)容變?yōu)榱诉x擇性必修內(nèi)容[1]，2019年版人教版高中物理教材將這一部分內(nèi)容放在了選擇性必修第一冊的第三章中，可見其重要性在增加。水波在生活中比較常見，比如在平靜的水面上落下的雨滴可以激起漣漪。用水波作為演示對象，學生們更熟悉，也更易接受?，F(xiàn)行教材多使用50 cm×50 cm的水波槽，通過固定在同一個振動片上的兩根細桿觸動水面，在天花板上投影水波的方法演示，但常常存在演示圖像不穩(wěn)定、不清晰且不易帶入課堂等問題[2]。為使演示現(xiàn)象更加清晰，本文利用生活中一些易得的材料配合手機頻閃軟件，自制了一臺可用于水波干涉演示的儀器，得到更加清晰、穩(wěn)定的水波干涉現(xiàn)象。

1 ? ?設計思路

為了適應高中課程“機械波”章節(jié)新課教學的課堂演示，需要相應的實驗儀器進行輔助講解，實驗儀器要實現(xiàn)以下幾種功能：（1）方便攜帶，實驗現(xiàn)象明顯，學生現(xiàn)場進行觀察;（2）結構清晰明了，學生更易結合所學知識進行理解，達到理論與實踐相結合的效果;（3）多功能性，儀器通過更換不同配件就可演示不同實驗內(nèi)容，做到一物多用;（4）數(shù)字化調(diào)控和顯示，參量調(diào)節(jié)精準迅速，定性演示與定量分析相結合，有理有據(jù)，讓學生以更嚴謹?shù)膽B(tài)度看待實驗現(xiàn)象。

為達到以上要求，我們在智能手機上安裝一些物理實驗軟件，如“匯中頻閃手電”可提供頻閃光源，“phyphox”可提供實驗所需的正弦信號，也可以使用數(shù)字式簡易信號發(fā)生器，成本較低。振源采用電磁激勵方法，具有數(shù)字化、可控性強、不易損壞等優(yōu)點，生活中易得的揚聲器為最佳選擇，利用功放板將信號放大后即可通過揚聲器輸出為我們所需的振動。電路部分作為控制單元分離，便于攜帶，且演示時學生更易理解裝置結構和原理。

2 ? ?儀器的設計及制作

2.1 ? ?控制單元設計

控制單元為揚聲器提供驅(qū)動信號，主要由簡易信號發(fā)生器、功放板和工作電源組成。設計了一個雙刀雙擲開關，可選擇信號由簡易信號發(fā)生器或手機提供。功放板對信號放大后即可作為驅(qū)動信號，在輸出端安裝一個3.5 mm音頻插頭，并在演示裝置上安裝對應插孔，連接與分離都非常便捷。為實現(xiàn)多功能性，控制單元設計了兩路輸出，兩套元件參數(shù)相同，即可實現(xiàn)同時驅(qū)動兩個振源工作并單獨控制，可用于機械振動合成等實驗演示。面板上元件排布如圖1所示。

2.2 ? ?演示裝置設計

根據(jù)實驗要求設計的演示裝置，主體使用亞克力板制成，內(nèi)含兩個20 W的揚聲器作為振源，整體結構示意如圖2（a）所示。制作時我們將兩端帶內(nèi)螺紋的金屬桿固定于瓶蓋中心，用銼刀打磨切口使其與揚聲器紙盆底部吻合，用AB膠固定在揚聲器紙盆上，振動器在某一頻率的正弦信號的激勵下產(chǎn)生激勵信號，揚聲器紙盆在音圈帶動下將做與激勵信號頻率相同的往復直線運動，通過瓶蓋與紙盆相連的金屬桿也隨之做往復直線運動，即做成振動桿[3]?？紤]到前人利用此方法制作的振動桿在實驗過程中容易產(chǎn)生偏移，從而使振動方向發(fā)生改變。此裝置優(yōu)化設計，采用直線軸承限位的方法，在保證限位效果的情況下盡可能減少了阻力。

通過在振動桿上更換不同實驗配件，可演示多個不同的實驗現(xiàn)象。裝置實物圖如圖2（b）所示。

使用亞克力板制作一個30 cm×30 cm的透明水槽，用四個支腳撐起，使之與演示儀等高。利用鋁片制作起波裝置，將鋁片剪成叉狀，因為膠管與水面接觸比鋁片更充分，在鋁片接觸水面一端套上膠管，另一端打孔即可固定于豎直方向振源上，如圖3所示。

3 ? ?水波干涉演示

實驗時往水槽內(nèi)放適量清水，水面與膠管觸頭剛剛接觸為好，起波器擺動頻率與振動桿往復運動頻率相同，波源頻率變得可控。打開手機中的“phyphox”軟件，使用音頻發(fā)生器將頻率預設為50 Hz，軟件界面如圖4（a）所示，在水槽正上方20 cm處放置一智能手機，利用手機閃光燈作為光源，打開頻閃軟件設置頻閃間隔時間為0.01 s，調(diào)節(jié)界面如圖4（b）所示。

由于兩個頻率相匹配，人眼的視覺暫留效果導致肉眼觀察到圖形靜止[4]，給學生一定的視覺震撼。當振動頻率略高于頻閃燈頻率時，可“慢動作”觀察到波的傳播、相遇、疊加，但干涉區(qū)域始終穩(wěn)定不變，可通過觀察亮暗不同的區(qū)域判斷波的疊加情況[5]，較亮區(qū)域與干涉相長區(qū)對應，較暗區(qū)域與干涉相消區(qū)對應。通過此即可驗證水波疊加后發(fā)生了干涉?，F(xiàn)場演示效果較好，學生反應熱烈，極大地提高了學習興趣。

圖5為振動頻率為50 Hz時拍攝的水波干涉實驗現(xiàn)象，現(xiàn)象明顯直觀。在水槽中部放置一塊開有兩條豎直狹縫的亞克力擋板，水波經(jīng)過擋板的狹縫時發(fā)生了衍射現(xiàn)象，可觀察到兩狹縫形成的新波源即次波，次波疊加后發(fā)生了干涉（圖5左）。同樣，圖5右圖展現(xiàn)了兩個相干波源振動疊加形成的干涉現(xiàn)象，可模擬高中物理教材中的經(jīng)典水波干涉實驗。

4 ? ?結 ?論

自制水波干涉儀有如下優(yōu)點：（1）實驗現(xiàn)象明顯。利用頻閃燈的方法，使運動的波變慢，更利于學生觀察。（2）裝置可攜帶性高。儀器將控制單元與演示裝置分離，體積小，配件可根據(jù)需求進行搭配，課堂演示或移動都更加方便。（3）功能多樣化。筆者主要敘述了水波干涉部分的演示現(xiàn)象，李薩如圖形、克拉尼圖形、液體表面駐波、環(huán)形駐波、彈簧縱駐波、受迫振動、水流駐波與行波等實驗，通過更換不同配件也能觀察到清晰的實驗現(xiàn)象，可供學有余力的學生進行實驗探究。（4）數(shù)字化調(diào)控與顯示。激勵信號的頻率可通過精準調(diào)控，提高實驗演示的穩(wěn)定性。

該自制儀器具有低成本、多功能、效果好等優(yōu)勢，可作為教具在課堂教學時現(xiàn)場演示，或作為科普儀器豐富學生的課余生活。經(jīng)過實踐，裝置不僅能夠?qū)⒊橄蟮闹R變得更加形象，而且可以幫助教師調(diào)節(jié)課堂氣氛，很受師生歡迎。

該裝置所獲成果：第十二屆北京市大學生物理實驗競賽三等獎;第二屆四川師范大學物理實驗競賽二等獎;2021屆四川師范大學優(yōu)秀本科畢業(yè)設計。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020：12-13.

[2]王景民.水波干涉和衍射實驗的改進[J].教學儀器與實驗，2015，31（03）：41-42.

[3]潘學軍.物理實驗方法與演示教具制作[M].北京：科學出版社，2012.

[4]蔣麗艷.視覺暫留的奇特現(xiàn)象[J].物理教學，2013，35（11）：29-30+28.

[5]沈平，嚴雋儀.水波干涉演示實驗投影紋的光學分析[J]. 物理通報，1998（07）：12-13.

（欄目編輯 ? ?劉 ? 榮）

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