王 輝 房慶安

(江蘇省蘇州第十中學校,江蘇 蘇州 215000)

在物理人教版選修3-4教材中,當講述到“波長,頻率和波速關系”一章節時,課本中提到“機械波在介質中的傳播速度由介質本身的性質決定．”關于這段內容的解讀和講授,任課教師通常會以實驗已知或課本表述而一筆帶過．造成這一授課現象的根本原因是由于缺乏相關演示實驗或視頻．為了能解決這一難題,將課本知識還原于實驗,筆者在學校實驗室老師的幫助下搭建了如圖1的實驗演示裝置,用以測定水波波速大小的定量探究實驗．該實驗需要如下儀器:透射式投影儀,教學用變頻電源,振動臺,發波水槽．

圖1 實驗裝置

具體的制作和裝配流程如下.

利用鋁合金型材制作振動連桿,以保證在振動過程中不出現多余的反彈;一端連接起波柱頭,另一端通過螺絲與振動臺緊密連接(如下圖2)．

發波水槽底部用油性筆畫上刻度,以2 mm為基本單位畫線,避免太密集造成投影不清晰;側邊黏貼泡沫膠,以減小反射波對實驗的影響(如下圖3);加適量水,大約2 cm深,以剛碰到起波柱頭為宜．

圖2 振動臺、連桿和起波柱頭連接

圖3 發動水槽

調節教學變頻電源的輸出頻率,利用手機錄像截屏的方式,得到不同頻率下水的表面波的波形圖,根據相鄰亮紋間距為半波長的關系,測量得到對應的表面波波長大小,整理如表1.

表1 頻率和波長的數據表

圖4 頻率和波長的關系

將波長取倒數,得到如下與頻率的關系

利用Excel的圖線擬合功能,根據波長、頻率和波速的關系,v=λf,得到該表面波波速為v=0.463 m/s,顯然波速與振動源的振動頻率無關,為一定值．

說明:本實驗在振動頻率大于12 Hz時效果較好,表面波的明暗相間條紋清晰;當振動頻率小于12 Hz時明暗條紋分布不清晰,分析其原因為,當振動源振動頻率減小時,起波柱頭入水和出水時間將延長,在上述過程中會產生若干表面波,相互之間疊加,造成水波圖樣不夠清晰．

表2 頻率和波長倒數的數據表

圖5 頻率和波長倒數的關系

本實驗設計的初衷主要是為了讓學生在課堂上能直觀感受波速與振動頻率無關這一知識點,因此在測量上比較粗糙,表現在波長的判定測量,水深的設定等等,但基于課堂而言這個誤差還是可以接受的．

對本實驗后期的改進措施有:選擇不同深度的水體,探究水體深度對水面波波速的影響;換用不同的液體,如一定濃度的酒精水溶液,海水,雪碧等透明液體,探究溶液種類對波速的影響．進而得到“波速僅由傳播介質決定”這一結論．