實時波形演示裝置與波的圖像

劉 閏

(云南省曲靖市民族中學，云南 曲靖 655000)

1 引言

現行高中教學中機械波是重點章節,課本中采用抖動軟繩,簡單演示橫波,并無直觀實驗演示正弦波．在實際教學中教師多采用沙漏斗和拖板實驗給學生展示正弦波形,但受實驗本身限制,要求拖板勻速移動、沙漏振動的衰減要盡量小等,使得課堂演示效果不明顯．同時該實驗用單擺振動代替學生熟悉的質點往復振動,造成一定的認知困難．

2 實驗設計的簡圖

1. 光電門立柱； 2. 滑塊立柱(左)； 3. 滑槽(左)； 4. 連桿(左)； 5. 軸承(左)； 6. 電機箱(左)； 7. 開關(左)； 8. 滑塊(左)； 9. 橫桿； 10. 波形演示板； 11. 滑塊立柱(右)； 12. 滑槽(右)； 13. 滑塊(右)；14.連桿(右)；15.電機箱(右)；16.軸承(右)

圖1 實驗裝置整體示意圖

1. 光電門立柱； 2. 滑塊立柱； 3. 滑槽； 8. 滑塊； 18. 光電門信號接收器； 19. 光電門信號發射器； 20. 光電門數據顯示器； 21. 導線

圖2 光電門連接示意圖

2. 滑塊立柱； 3. 滑槽； 4. 連桿； 5. 軸承；6. 電機箱； 7. 開關； 8. 滑塊； 17. 電機

圖3 電機箱內部結構示意圖

3 演示實驗的操作步驟

裝置的安裝:在水平桌面如實驗設計圖(圖1)固定好演示板和兩個機箱;將電門信號接收器18安裝在光電門立柱1上,光電門信號發射器19巧妙地固定在滑塊立柱2上.

圖4 電機箱內部結構示意圖

圖5 實驗裝置機箱正視圖

3.1 橫波的演示

(1) 將第一串珠子固定在滑塊立柱2上,然后將電源打開.

(2) 打開調速開關,進行調節,直到觀察到穩定的波形時,停止調節.

(3) 在合適的波形下,打開計時器的開關,進行周期的測量;在演示板刻度尺處讀出一個完整波形的波長(若要更精確便捷地讀出波長,可使用頻閃相機或智能手機連拍功能記錄某半周期下相應的波形樣圖進行靜止讀數).

(4) 繼續旋調速開關的旋鈕,調節電動機的轉速,在另一個波形下讀出周期和波長.

(5) 重復步驟4進行多次測量,并處理數據,計算出該種介質的波速．

3.2 波的衰減的演示

步驟同橫波的演示.

3.3 波的疊加演示

(1) 第二串珠子固定在滑塊立柱2上,然后將電源打開.

(2) 打開調速開關,進行左邊電動機的調節,直到觀察到穩定的波形時,停止調節.

(3) 進行右邊電動機的調節,觀察在演示板中央的波形疊加情況.

繼續旋調速開關的旋鈕,調節兩個電動機的轉速,觀察波形疊加．

4 使用效果

用途1:用于橫波的演示.

方法:同操作步驟2,并進行觀察,圖7所示．

圖6 橫波波形圖

圖7 波的衰減圖

用途3:定性驗證機械波在介質中的傳播速度只與介質的種類有關.

方法: (1) 參照用途1步驟,如圖9所示測出對應的周期和波長,并記錄在表格中.

圖8 波長、周期測量圖

圖9 同一介質波長和周期的關系圖

(2) 利用Excel軟件處理數據.

表1 波演示圖樣周期(T)、波長(λ)記錄及

(3) 分析數據．同一介質下,機械波在同種介質下的傳播速度不變．

用途4:可以探究機械波的波動圖像和質點振動的關系.

方法:如操作步驟2,并觀察紅色的珠子．

圖10 機械波的波動圖像

用途5:波的疊加的演示.

方法:如操作步驟4,可以觀察到在演示板的中央出現波的疊加．

用途6:驗證不同介質中機械波波速不同.

選用不同的連珠、鏈環、或合適的繩測波速并比較,步驟同2.

用途7:證明機械波的傳播是振動狀態的傳播

不是質點的傳播.

圖11 機械波的波動圖像疊加

舍棄了教材中用手抖動細繩來演示機械波,更加準確的觀察穩定的波,增加了學生的求知欲和課堂的趣味性;能激發學生探求真知的熱情,學會用科學探究方法研究物理問題．

1 楊軍,馮源,黃鑑.“機械波的形成和傳播”教學設計及課堂實[J].物理通報,2014(1)： 72-74．