簡易龍卷風實驗的設計方案

從巖 鄧錦熙

摘 要：繩駐波演示儀是將電動機轉動軸的圓周運動轉化為曲軸在豎直平面內上下的周期性運動，從而帶動彈性細繩產生入射波，入射波經固定點反射形成反射波，當反射波與入射波疊加在一起，產生駐波的演示儀器。

關鍵詞：駐波；繩駐波；演示儀

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2016）5-0059-2

駐波是自然界中十分常見的一種現象，例如水波，樂器發聲，樹梢震顫等。為了比較形象、直觀地演示駐波，筆者制作了繩駐波演示儀。繩駐波演示儀是用彈性繩演示駐波的儀器，通過電動機的轉動，轉化為曲軸在豎直平面內上下的周期性運動，從而帶動彈性細繩（即本裝置的彈性繩）產生一列入射波，入射波經固定點反射回來，當反射波與入射波疊加在一起，滿足一定的條件時就產生了駐波。

1 器材清單

小型電動機一個（6 V），彈性繩一根（80 cm左右），長木板一塊（長80 cm左右），固定支架兩個，教學電源一個（J1209），滑動變阻器一個（50歐），導線若干。

2 制作方法

2.1 改造電動機轉動軸

將小型電動機（6 V）的轉動軸改裝成轉動曲軸，如圖1所示。

2.2 安裝彈性繩

先將兩固定支架固定在長木板兩端合適的位置，再將彈性繩適當拉緊，兩端固定在固定支架。調節好彈性繩與小型電動機轉動曲軸最低點之間的距離（彈性繩與電動機轉動曲軸最低點之間距離可調），如圖2所示。

2.3 連接電路

按照圖3中的電路圖把教學電源、小型電動機、滑動變阻器、開關、導線等將電路連接。

3 基本用途

該演示儀可演示“彈性繩振動產生的橫波與駐波現象”。

接通開關，如圖2所示，電動機轉動時曲軸每轉到最低點時周期性敲擊彈性繩，就會在彈性繩上產生一列入射波，經彈性繩另一固定點反射，形成反射波，兩列波在適當的條件下疊加，可以看到中央凸起的波腹處振動最激烈，波節處幾乎無振動，最終產生明顯的駐波效果。調節滑動變阻器，改變電動機的輸入電流，改變電動機的轉速，從而改變電動機敲擊彈性1 實驗原理

該教具針對人教版初中物理九年級第14章第4節中流體與流速之間的關系，設計了簡易龍卷風實驗裝置。該裝置通過將離心風機和調速器相連，組成一個簡易吸塵器，進而形成小型龍卷風。吸塵器的吸力是由離心風機產生的，而調速器在吸塵器中起著穩速、調速的作用，進而控制小型龍卷風的轉速，產生可控制的吸力，驗證流體壓強與流速之間的關系。

2 實驗裝置設計圖（圖1）

離心風機參數：

脈寬調整器參數：

實驗裝置實物圖如圖2所示。

3 實驗裝置的操作步驟

3.1 前導實驗

將調速器旋鈕調至最大，再接通電源。將乒乓球放置于漏斗處，發現乒乓球在漏斗處不停撞擊，卻沒有掉下。慢慢調小調速器，乒乓球墜落。

3.2 主實驗

步驟1：調速器旋鈕調至最大，再接通電源，可觀察到瓶中小紙屑繞中軸旋轉，呈龍卷風現象。將彈簧測力計上的乒乓球放置于進風口處，使乒乓球處于平衡狀態，彈簧測力計讀數記為N1。

4 在教學中的使用方法

（1）此教具結合風吹漏斗中乒乓球不掉落的實驗，吸引學生注意，引導學生思考。

（2）還可以鼓勵學生自己動手，制作教具，并分析產生該現象的原因。

5 說 明

（1）實驗設計的最大亮點是將龍卷風具體化，并通過對比實驗來分析流體壓強與流速的關系。

（2）實驗裝置，具有制作簡單，操作方便，現象明顯且使用安全的特點。

編者按：本裝置的原理及實驗與電動吸塵器類似，請參閱文獻[1]。

參考文獻：

[1]林躍強，等.中學物理真空實驗的幾點改進建議[J].物理教學探討，2012，30（7）：54—55.