羅 浩,向澤英,馬婷婷

(西南科技大學(xué),四川綿陽 621010)

駐波法在功能模塊化物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用

羅 浩,向澤英,馬婷婷

(西南科技大學(xué),四川綿陽 621010)

基于功能模塊化教學(xué)模式,用駐波法原理完成了超聲波速度、微波波長以及弦線密度3個物理量的測量,傳遞了“同一物理原理解決不同實際問題”的模塊化教學(xué)理念,有利于學(xué)生系統(tǒng)掌握物理知識,提高綜合運用知識的能力。

駐波;超聲波波長;微波波長;弦線密度

模塊化教育模式起源于20世紀(jì)70年代的歐美國家,中國從90年代開始進行探索。孫維民等在《開放型物理實驗教學(xué)平臺建設(shè)與實踐》中建立分層次、模塊化的開放型物理實驗教學(xué)模式,以培養(yǎng)學(xué)生獨立分析、解決問題的能力,提高學(xué)生的綜合素質(zhì)[1];何軍鋒等在《基于實驗中心的物理實驗?zāi)K化管理研究與實踐》中對綜合設(shè)計性實驗開設(shè)項目進行了闡述,提出了實驗室提供儀器,學(xué)生自主組建團隊,自主選題,自主設(shè)計模塊化實驗的具體實施思路[2];毛祥慶等在《工科物理實驗功能模塊化教學(xué)探索》中對西南科技大學(xué)用光杠桿、邁克爾遜干涉儀、楊氏模量、光柵衍射等多種方式測量微小長度的模塊化教學(xué)模式進行了闡述,在培養(yǎng)學(xué)生綜合運用物理知識的能力方面起到了良好的效果[3]。

西南科技大學(xué)近年來將功能模塊化教學(xué)方法貫穿于科學(xué)出版社出版的自編教材《新編大學(xué)物理實驗》中,在實際教學(xué)中多處體現(xiàn)用同一個物理原理解決不同實際問題,同一個物理量用不同方法進行測量的實驗項目設(shè)計思路,目前設(shè)計了有微小長度的測量、折射率的測量、示波器的應(yīng)用、電阻的測量等多個模塊,隨著實驗的開展和不斷總結(jié),師生們正在開發(fā)出更多的教學(xué)模塊,如駐波法原理在不同實驗場合的應(yīng)用即為最新開發(fā)出的教學(xué)模塊[4]。

1 駐波原理

在同一介質(zhì)中兩列頻率、振動方向相同,而且振幅也相同的簡諧波,在同一直線上沿相反方向傳播時就會發(fā)生疊加而形成駐波,如圖1所示。

圖1 駐波示意圖

駐波的表達式為

2 駐波法測超聲波速度

2.1 實驗原理

聲波傳播過程中滿足以下關(guān)系:v=λ·f(其中v表示波速,λ表示波長,f表示頻率)。只要測得λ和f,即可算出聲速v。據(jù)此原理可用駐波干涉法測λ,共振法測f,從而實現(xiàn)對超聲波波速的測量[4]。

2.2 實驗方法

采用ZKY-SSA型聲速測定實驗儀進行實驗,如圖2所示。

圖2 超聲波速度測量裝置

S1和S2是壓電陶瓷超聲換能器,低頻信號發(fā)生器輸出的正弦交變電壓信號接到發(fā)射頭S1上,發(fā)出一平面聲波。接收頭S2接收到的聲壓轉(zhuǎn)換成交變的正弦電壓信號后輸入示波器觀察。S2在接收超聲波的同時還反射一部分超聲波。這樣,發(fā)射和反射的超聲波在S1與S2之間的區(qū)域多次反射疊加,當(dāng)間距為λ/2整數(shù)倍時形成駐波。逐漸改變間距,在一系列特定的位置上S2上的聲壓達到極大值,相鄰兩極大值之間的距離為λ/ 2,間距變化用游標(biāo)尺加手輪讀數(shù)測得。另外調(diào)節(jié)低頻信號發(fā)生器的頻率直到振幅最大,此時系統(tǒng)達到共振,讀得的頻率即超聲源的振動頻率f[5]。

2.3 結(jié)果分析與討論

測得固有頻率為f=38.000 kHz。連續(xù)10次振幅達到最大值時的坐標(biāo)如表1:

表1 振幅達到最大值時的坐標(biāo)

由逐差法算得

由共振干涉法測得超聲波速度

查得實驗狀態(tài)下超聲波速度理論值

v=338.9m/s,

可知相對誤差

3 駐波法測微波波長

3.1 實驗原理

微波喇叭既能接收微波,同時它也會反射微波,因此發(fā)射器發(fā)射的微波在發(fā)射喇叭和接收喇叭之間來回反射,振幅逐漸減小。當(dāng)發(fā)射源距接收檢波點之間的距離等于λ/2整數(shù)倍時,經(jīng)多次反射的微波與最初發(fā)射的波同相,此時信號振幅最大,電流表讀數(shù)最大[6-9]。發(fā)射器不動時接收器移動的距離Δd與出現(xiàn)接收到信號幅度最大值的次數(shù)N之間的關(guān)系為:

3.2 實驗方法

采用ZKY-W型微波光學(xué)實驗儀進行實驗,將發(fā)射器和接收器處于同一軸線上,如圖3所示,接收器沿鋼尺緩慢滑動遠離發(fā)射器,當(dāng)電流表在某一位置出現(xiàn)極大值時,記下接收器所處位置刻度X1,然后緩慢將接收器沿遠離發(fā)射器方向緩慢滑動,當(dāng)電流表讀數(shù)出現(xiàn)10個極小值后再次出現(xiàn)極大值時,記下接收器所處位置刻度X2。

圖3 微波光學(xué)實驗儀

3.3 結(jié)果分析與討論

數(shù)據(jù)結(jié)果見表2。

表2 10次極大值間隔

由表中數(shù)據(jù)可算得

查儀器參數(shù)可知

λ=2.84 cm,

由此可得相對誤差

4 駐波法測弦線密度

4.1 實驗原理

對于一條伸長的弦,相鄰兩波腹之間距離為λ/2,弦長L與波腹數(shù)k的關(guān)系為

駐波為橫波,在弦上的傳播速度為

其中μ表示弦線密度。

將(1)、(2)式代入v=λ·f,得繃緊的尼龍弦線的固有頻率為

兩邊平方可改寫為

令

則

f2=Km。

通過儀器測出f,m,可得系數(shù)K,再數(shù)出波腹數(shù)k,測出弦長L,則可算得線密度

4.2 實驗方法

采用CI-6871G型PASCO綜合實驗儀來測定弦線密度[7]。該儀器利用各種傳感器來收集數(shù)據(jù),并運用DataStudio軟件來收集和處理數(shù)據(jù)。如圖4。

圖4 弦線密度測量

將尼龍弦線一端與弦線振動器連接,另一端繞過定滑輪,定滑輪掛鉤上懸掛質(zhì)量為m的砝碼。實驗時,懸掛砝碼質(zhì)量分別為50 g、100 g、150 g、200 g、250 g時,調(diào)節(jié)振動頻率,使尼龍線顯示出4個波腹,記下振動頻率,并用米尺測出振動器到定滑輪的弦長L。

4.3 結(jié)果分析與討論

測得定滑輪的弦長L=1.30m,波腹數(shù)k=4,電子天平稱得有效部位弦線質(zhì)量m=0.504 3 g, f2和m數(shù)據(jù)如表3。

表3 f2和m對應(yīng)關(guān)系

將 f2和m數(shù)據(jù)作線性擬合圖如下。

圖5 f2~m

由圖5可得,擬合度為0.999 67,斜率

K=58.92 Hz2/g,

實測線密度μ(g/m)0.393 7

μ0=0.387 9 g/m

相對誤差

5 結(jié) 論

駐波法還可以用來測量空氣絕熱指數(shù)[8]、光速、超聲波衰減系數(shù)、反射系數(shù)等諸多物理量,由于篇幅有限就不一一贅述。近幾年的功能模塊化教學(xué)實踐證明,學(xué)生在與教師一起進行模塊化實驗項目的設(shè)計及實驗的過程中,更加熟練、系統(tǒng)地掌握了力、熱、電、磁、光、近代物理及現(xiàn)代科技的物理知識體系,綜合運用知識的能力有了大幅提升,一定程度上擺脫了實驗教材驗證性實驗項目的束縛,使學(xué)生真正具備了靈活運用所學(xué)知識解決實際問題的能力。

[1] 孫維民,國安幫,趙褰.開放型物理實驗教學(xué)平臺建設(shè)與實踐[J].實驗室研究與探索,2013(6):17-20.

[2] 何軍鋒,姚軍財,潘宏利,等.基于實驗中心的物理實驗?zāi)K化[J].管理研究與實踐,2011(10): 23-31.

[3] 毛祥慶.工科物理實驗功能模塊化教學(xué)探索[J].實驗技術(shù)與管理,1998(2):4-7.

[4] 周自剛,趙福海.新編大學(xué)物理實驗[M].科學(xué)出版社,2013(5):41-45.

[5] 任隆良,宋克威,劉金來.駐波法測量聲速實驗中的非完全駐波[J].物理通報,2002(2):41-45.

[6] 陳森,吳平,劉京亮,等.微波分光儀角錐喇叭天線的優(yōu)化[J].物理實驗,2009(6):13-17.

[7] 張健,劉茂軍,肖利.用駐波法測量弦線密度的實驗研究[J].物理教師,2013(4):50-53.

[8] 劉穎剛,李明,韓黨衛(wèi).駐波法測量空氣絕熱指數(shù)的研究[J].陜西師范大學(xué)學(xué)報,2003(4):15-18.

[8] 張俊玲.駐波法測量聲速實驗的系統(tǒng)誤差分析[J].大學(xué)物理實驗,2012(5):81-83.

Application of Standing W ave M ethod in Function M odularization in Physics Experiment Teaching

LUO Hao,XIANG Ze-ying,MA Ting-ting
(Southwest University of Science and Technology,Sichuan Mianyang 621010)

Based on function modularization teaching mode,completed measurement of three physical quantities include ultrasonic wavelength,microwave wavelength and string density by standing wave method, transfer themodular teaching idea of“the same physical principle to solve different problems”,helps students master the knowledge of the physics of the system,and improve the comprehensive ability to use knowledge.

standing wave;ultrasonic wavelength;microwave wavelength;string density

O 4-33

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.006.013

1007-2934(2015)06-0043-04

2015-03-26

西南科技大學(xué)實驗技術(shù)項目(15syjs-17);西南科技大學(xué)高教專項課題(15gjzx12);西南科技大學(xué)實驗室開放基金項目(15xnkf-07、15xnkf-11);西南科技大學(xué)本科課程設(shè)計項目(15KCSJ014)。