簡(jiǎn)單易做的波的干涉演示器

王富民

山東省濟(jì)寧市實(shí)驗(yàn)中學(xué)(272023)

1 重現(xiàn)實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)問題

人民教育出版社普通高中物理教科書選擇性必修第一冊(cè)第三章“機(jī)械波”第4節(jié)“波的干涉”中有2個(gè)必做的演示實(shí)驗(yàn):觀察波的疊加現(xiàn)象和觀察水波的干涉[1]。

(1)觀察波的疊加現(xiàn)象

在兩個(gè)學(xué)生用長(zhǎng)繩子演示了波的疊加現(xiàn)象之后,學(xué)生認(rèn)識(shí)到兩列波彼此相遇并穿過后波的形狀和相遇前一樣,傳播的情形也和相遇前一樣,生活中常見的水波也是如此。在兩列波重疊的區(qū)域里,介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)同時(shí)參與這兩列波引起的振動(dòng),質(zhì)點(diǎn)的位移等于這兩列波單獨(dú)傳播時(shí)引起的位移的矢量和。學(xué)生在觀察長(zhǎng)繩子傳播波時(shí)兩列波重疊的區(qū)域質(zhì)點(diǎn)的位移變化太快,只感覺有所加強(qiáng),不容易得出“質(zhì)點(diǎn)的位移等于這兩列波單獨(dú)傳播時(shí)引起的位移的矢量和”的結(jié)論,有必要在觀察水波的干涉時(shí)加以驗(yàn)證。

(2)觀察水波的干涉

這個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生來說非常重要,學(xué)生有了感性認(rèn)識(shí)才能上升到理性認(rèn)識(shí),有了仔細(xì)的觀察才會(huì)有深入的研究。

做好這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)是課堂成功的關(guān)鍵,這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)不但能讓學(xué)生通過感官認(rèn)識(shí)振動(dòng)在介質(zhì)中傳播的現(xiàn)象,增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí),還能讓學(xué)生在觀察水波的干涉實(shí)驗(yàn)時(shí)體驗(yàn)到:用科學(xué)的方法將物體的振動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,使兩個(gè)振源同相位,將振源的特征(相干波)表現(xiàn)出來,以利于學(xué)生觀察,從而認(rèn)清事物的本質(zhì),總結(jié)出規(guī)律性的東西,這也是對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)方法教育的啟蒙。

教師在演示觀察水波的干涉實(shí)驗(yàn)時(shí),如果不使用投影設(shè)備就會(huì)影響觀察效果。要使學(xué)生有“身臨其境”的感覺,可以通過指導(dǎo)學(xué)生做一個(gè)“水波的干涉演示器”,授人以魚不如授人以漁。讓學(xué)生做一個(gè)學(xué)具,培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手動(dòng)腦的能力,提高學(xué)生解決問題的能力,發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)。

2 制作器材與方法

2.1 主要器材

微型振動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)(電壓1.5～3.7 V),1節(jié)1號(hào)干電池,廢舊鋼鋸條長(zhǎng)25 cm,廢舊自行車輻條18 cm;4個(gè)自攻螺釘:2個(gè)圓頭、2個(gè)平頭;長(zhǎng)度10 cm、寬度8 cm、厚度1 cm的木板1塊,長(zhǎng)度8 cm、寬度3 cm,厚度1 cm的木條1根,竹筷子截取8 cm,600 W/220 V電爐絲截取1/5,鱷魚夾1個(gè),導(dǎo)線若干;工具有:電烙鐵、尖嘴鉗、熱熔膠、熱熔膠槍、美工刀。

2.2 制作方法

將廢舊自行車輻條折成門字形,橫梁長(zhǎng)度10 cm,門邊框長(zhǎng)度4 cm,在門字形的兩個(gè)短邊框上用熱熔膠各粘結(jié)1個(gè)圓頭自攻螺釘作振源,取平頭自攻螺釘將廢舊鋼鋸條一端用木條壓在木板邊緣上,用熱熔膠將廢舊自行車輻條折成的門字形橫梁粘結(jié)在廢舊鋼鋸條的另一端(使兩個(gè)邊框與鋼鋸條對(duì)稱),成“耙子”形狀[2-3];用熱熔膠將微型振動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)粘結(jié)在靠近“耙子”頭的廢舊鋼鋸條上;將電爐絲繞在竹筷子上與微型振動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)串聯(lián),一段導(dǎo)線與鱷魚夾相連,導(dǎo)線焊接在干電池的正極上,干電池的負(fù)極連接微型振動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)。

3 電路連接與調(diào)節(jié)

制作好的波的干涉演示器如圖1所示。

圖1 演示器實(shí)物圖

3.1 電路連接

電路連接圖如圖2所示。

圖2 簡(jiǎn)單易做的波的干涉演示器電路連接圖

按電路圖連接好各元件，鱷魚夾夾在繞電爐絲的竹筷子上即接通了電源，移動(dòng)鱷魚夾夾持的位置可以調(diào)節(jié)電爐絲接入電路中的長(zhǎng)度，從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，即改變振源的振動(dòng)頻率；電路接通時(shí)，微型振動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)頻率遠(yuǎn)大于電路斷開時(shí)整個(gè)裝置的固有頻率，所以，電路接通時(shí)，整個(gè)裝置的振動(dòng)是受迫振動(dòng)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)微型振動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)靠近“耙子”頭時(shí)的振動(dòng)效果較好。

圖3 演示器實(shí)驗(yàn)效果圖

3.2 使用說明及效果

1節(jié)新的1號(hào)干電池內(nèi)阻較小，短路電流較大，近3 A。使用1節(jié)新的1號(hào)干電池，然后用調(diào)節(jié)電爐絲長(zhǎng)度來改變微型振動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的效果明顯。1號(hào)干電池使用時(shí)間長(zhǎng)了，其電壓會(huì)降低，此時(shí)，用在電爐絲上移動(dòng)鱷魚夾來改變振動(dòng)頻率的方法的調(diào)節(jié)范圍變窄，1號(hào)干電池電壓再降低時(shí)，微型振動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)就不容易啟動(dòng)，需要更換電池。使用完畢后應(yīng)及時(shí)切斷電源。使用“簡(jiǎn)單易做的波的干涉演示器”完成水波的干涉實(shí)驗(yàn)時(shí)，要在水盆里注入滿盆的80%的水，可以用手握住演示器，也可以用廢紙盒墊住演示器，并用重物壓持牢固，然后用鱷魚夾接通電源，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

4 制作小結(jié)

“簡(jiǎn)單易做的波的干涉演示器”的制作材料廉價(jià)、易得,用其進(jìn)行實(shí)驗(yàn),便于學(xué)生操作及近距離觀察。自制“簡(jiǎn)單易做的波的干涉演示器”可作為學(xué)具使用,也可以作為教具使用。