直投式發(fā)波水槽的先進性和實用性

教學儀器是完成教學任務的重要工具，是實驗教學的必備物質條件。教學任務能否出色完成，實驗教學能否正常進行，在很大程度上取決于教學儀器的完善程度。發(fā)波水槽是輔助完成高中物理中有關“波”的物理理論教學任務的重要教學儀器。它的功能特點的優(yōu)劣，對波的教學起著至關重要的作用。就目前情況看，各種發(fā)波水槽相比較，直投式發(fā)波水槽（圖1）在高中波的教學中最具先進性和實用性。

波的教學與發(fā)波水槽

人類生活的世界是一個波動的世界，是一個充滿波的空間；由于波的客觀存在，使這個多彩的世界更加活躍，更加充滿生機。正是由于波的神奇作用，科學家一直對它進行堅持不懈的研究與利用；教育家也將有關波的理論編入高中物理課本，作為對青少年進行教育和培養(yǎng)的重要內容之一。新課標人教版高中物理以“機械波”為題，分別敘述了波的形成和傳播，波的圖像，波長、頻率和波速，波的反射和折射，波的衍射，波的干涉，多普勒效應等內容。

根據(jù)課文的敘述，波是振動在介質中的傳播過程，是振動形式的傳播。在日常生活中，隨時都會遇到各種各樣的波。然而這些隨處可遇的波，都是看不見摸不著的概念。雖然波是一種運動的形式，是一種傳遞的方式，但卻是一種非常抽象的概念，又是一種非常尖端、非常成熟、非常精到的物理理論。要把這種抽象的理論傳輸給青少年，就必須借助一定的教學工具，通過一系列的實驗才能完成。在教學過程中，人們曾經(jīng)研制出多種發(fā)波水槽來輔助教學，用來完成對波的物理理論內容的教育與傳輸。

所謂發(fā)波水槽就是一種能夠輔助完成“波”的物理理論教學的教學儀器。它的功能是能把“波”這種非常抽象的概念形象化，把看不見摸不著的東西變成有影有形的圖像。它的作用是能將自然界和現(xiàn)實生活中的各種“波”縮微再現(xiàn)在儀器之上，在課堂之中，讓形象說話，用事實敘理；并且通過演示，把波的形成、傳播、頻率、波速、反射、折射、衍射等現(xiàn)象與特性給出科學形象的解說。因此在教學中，發(fā)波水槽已經(jīng)成為“波”的物理理論教學不可或缺的儀器設備。

發(fā)波水槽的進步與發(fā)展

發(fā)波水槽的發(fā)明問世已經(jīng)有幾十年的時間。幾十年來，它從簡單走向復雜，從片面走向全面，從原始走向科學，從單一品種走向多品種，不斷地發(fā)展完善。其中使用得比較普遍、時間比較長久的儀器有手動式發(fā)波水、電磁式發(fā)波水槽和氣動式發(fā)波水槽等。

手動式發(fā)波水槽是一種比較原始的教學儀器。它采用手敲擊簧片作為振源的原理，來演示波的各種狀況。雖然這種儀器能夠將抽象的概念形象化，但簧片振動的時間比較短，頻率不穩(wěn)定，圖像也不清晰，很難滿足教學上的要求。特別是還有許多波的理論無法演示。

電磁式（也稱機械式）發(fā)波水槽比手動式發(fā)波水槽先進。它利用電磁鐵的原理，對波的各種狀況進行演示。在演示的過程中，由于是機械振動，所以振動的時間比較長，頻率也比較穩(wěn)定。但這種儀器所演示的圖像移動比較迅速，很難一下子看清波的傳播過程；雖然在教學效果上有長足的進步，但還是不能完全滿足教學的基本要求。

氣動式（也稱背投式）發(fā)波水槽是較之上述兩種發(fā)波水槽都有明顯的進步。它利用水泡成波的原理進行實驗演示，主要特點是：帶有頻閃光源，振動的頻率可以根據(jù)需要調節(jié)，而且所演示出來的圖像比較清晰、穩(wěn)定。但由于這種儀器的振源是水泡，所以它又具有極大的局限性，諸如平行波、反射波等一系列的實驗就無法進行與完成。

為了便于比較，用表格的形式把幾種老式發(fā)波水槽進行排列，見表1。從表1的對比中可以清楚地看到，發(fā)波水槽在教學實踐中不斷地革新、進步、發(fā)展，不斷地揚長去短，不斷地完善，逐漸向教學的實際需要靠近。三種發(fā)波水槽雖然都能完成“波”這個抽象概念的形象化，但它們都有極大的局限性，在實驗教學的過程中還不能演示所有的實驗；能演示的實驗還存在著圖像欠清晰，頻率欠穩(wěn)定，振動時間受限制等缺陷。

直投式發(fā)波水槽的特點與功能

直投式發(fā)波水槽在現(xiàn)代科技發(fā)達的基礎上，運用光源的遮光次數(shù)與振動頻率關系的原理，整合光學、電學、機械等技術，完全克服了上述發(fā)波水槽的局限性，徹底完善了發(fā)波水槽的功能與性能。

直投式發(fā)波水槽特點：

1）不用投影儀和銀幕，可以直接將圖像十分清晰地投射在該儀器的屏幕上。

2）儀器帶有同步頻閃可調的光源及振動頻率可調的振源，當光源頻閃次數(shù)與振動頻率相同時（頻閃與振動頻率同步），儀器屏幕上的圖像處于靜止狀態(tài)，此時便于教師講授波形的特點；當光源頻閃次數(shù)與振動頻率不相同時（頻閃與振動頻率不同步），儀器屏幕上的圖像處于移動狀態(tài)，便于學生觀察波形的傳遞過程。頻閃，即可使圖像出現(xiàn)靜止狀態(tài)或任意速度的波形傳遞過程。

3）儀器配有強大而均勻的波源，能清晰演示各種難以看清的圖像，如雙縫干涉波、衍射波等。

4）操作方便。由于對儀器上振子的重量和振桿的長度作過統(tǒng)一處理，在做實驗的過程時，只要調換各種振子，就不再需要重新調節(jié)振動的頻率和頻幅，既方便了實驗操作，又節(jié)省了實驗時間。

直投式發(fā)波水槽的實驗功能相當齊全，它能夠完成高中物理課程中有關“波”的理論教學的所有實驗。

1）可以完成圓形波的演示。將單振子固定在承接塊上，打開電源開關，溴鎢燈亮，遮光葉輪轉動，振桿彈動，屏幕上即顯示圖像，為圓形波。根據(jù)實驗需要調節(jié)振頻旋扭，當振動次數(shù)與光源頻閃次數(shù)一致時，水波在屏幕上的圖像處在靜止狀態(tài)；當振動次數(shù)大于頻閃時，水波在屏幕上的圖像是擴散狀態(tài)；當振動次數(shù)小于頻閃次數(shù)時，水波提影圖像為收縮狀態(tài)。如水波投影圖像不清晰時可慢慢調節(jié)振幅螺絲，直至清晰。

2）可以完成平面波的演示。將平面振子固定好，按前述方法調整，使振子的平面與水平平行。相交處要充分潤濕，否則影像將略有彎曲。

3）可以完成雙縫干涉波的演示。在平面波前約30 mm處，呈一字形放置三塊擋板，其縫隙約等于波長。當平面波經(jīng)過雙縫時，就可見雙縫干涉影像。

4）可以完成雙振子干涉波的演示。將雙振子固定好，按前述方法調整，可看到明顯的干涉波影像。

5）可以完成波的反射的演示。在平面波45度斜放直擋板，即可看到平面反射波的影像。

6）可以完成波的折射的演示。在平面波前約10 mm處放置一個直角透明的三角玻璃板，直角邊垂直平面波。放掉一部分水，使玻璃板上水深約1 mm～2 mm，就可見到波的折射的影像。如果效果不明顯，可再放掉些水或降低振頻。

7）可以完成波的衍射的演示。按上述方法調整好圓形波后，將2塊擋板一字形放在離振中心約20 mm處，二處擋板縫隙距離接近波長，然后調整擋板間隙距離，則可見到不同的衍射影像。

8）可以完成惠更斯效應的演示。將一個開有3個缺口的圓筒放入槽中，缺口向下，使圓波振子處于圓筒之中，自中心向外擴展的圓波在筒壁處被擋住，僅在出口處繼續(xù)傳播。每個缺口相當于一個新波源，在筒的周圍就形成新波面。

9）可以完成多普勒效應的演示。將振源盒從框架取下用手拿著，振桿卡口內固定圓波振子，端部浸入水中，使其朝水槽左壁慢慢移動，則可看到從中心到左壁波紋變密，波長變小，頻率變大；從中心到右壁波紋變疏，波長變大，頻率變小。

直投式發(fā)波水槽不但可以完成以上9大主導實驗，還可以根據(jù)教學需要，自制各種擋板，把水盤作為平臺，完成與之相關的各種附屬實驗及教學中所需的各種圖像。此外，還可以完成大學物理中的許多有關波理論的實驗。

從直投式發(fā)波水槽所展示的特點來看，它比以往發(fā)波水槽都有一個跨越性的進步，它所運用的工作原理，所采用的制造技術，所顯示的實驗效果等都是相當先進的。總之，直投式發(fā)波水槽是“波”的物理理論教學中非常實用、不可或缺的教學儀器。

（作者單位：浙江省瑞安市教學儀器廠）