姚 潔 翁 華
(1.南京師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,江蘇 南京 210023;2.江蘇省南京市外國語學(xué)校,江蘇 南京 210000)
兩列同方向同頻率波疊加的演示實(shí)驗(yàn)*
姚 潔1翁 華2
(1.南京師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,江蘇 南京 210023;2.江蘇省南京市外國語學(xué)校,江蘇 南京 210000)
筆者利用聲速測定儀產(chǎn)生兩列同方向同頻率并且相位差連續(xù)可調(diào)的波,利用雙蹤示波器將這兩列波以及它們的疊加結(jié)果清晰地呈現(xiàn)出來,生動(dòng)形象的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有助于學(xué)生理解和掌握波疊加的知識(shí)。
波的疊加;聲速測定儀;雙蹤示波器
波的干涉現(xiàn)象存在于生產(chǎn)生活實(shí)踐的各個(gè)方面,它可以是橫波的干涉,也可以是縱波的干涉;可以是電磁波的干涉,也可以是機(jī)械波的干涉。深入理解并掌握波的干涉條件和現(xiàn)象,對(duì)于學(xué)生認(rèn)識(shí)事物的物理本質(zhì),培養(yǎng)物理學(xué)科核心素養(yǎng)具有重要意義。理解波的干涉,關(guān)鍵是掌握波的疊加原理。由于學(xué)生對(duì)三角函數(shù)的數(shù)學(xué)知識(shí)不太熟練,對(duì)于兩列同方向同頻率的波疊加以后的結(jié)果,往往從形式上進(jìn)行記憶,而課堂上教師除了運(yùn)用公式說明現(xiàn)象外,常常借助圖像或由特定軟件制作的動(dòng)畫來幫助學(xué)生理解波疊加的特點(diǎn)。這可以起到一定效果,但物理是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué),純粹靠軟件顯然是不夠的。本文提出:可以采用聲速測定儀配合雙蹤示波器來演示兩列波的疊加,通過各種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象將波的疊加結(jié)果具體表現(xiàn)出來。
在如圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置中,聲速測定儀由聲波信號(hào)源和實(shí)驗(yàn)架兩部分構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)架上的S1和S2為壓電陶瓷換能器,實(shí)現(xiàn)電信號(hào)和聲信號(hào)的相互轉(zhuǎn)化。S1為發(fā)射端,固定不動(dòng),S2為接收端,可通過右方轉(zhuǎn)輪調(diào)節(jié)位置。示波器采用通用的雙蹤示波器,聲波信號(hào)源的S1端輸出電信號(hào)至實(shí)驗(yàn)架的發(fā)射端S1,同樣的信號(hào)經(jīng)過CH1端送入示波器通道1進(jìn)行輸出。聲波信號(hào)源的S2端接收實(shí)驗(yàn)架上接收端S2的電信號(hào),經(jīng)過CH2端送入示波器通道2進(jìn)行輸出。
圖1
2.1 顯示發(fā)射端和接收端兩列同方向同頻率的波
采用雙蹤示波器的兩個(gè)通道分別接入發(fā)射端和接收端的兩路信號(hào),掃描激發(fā)信號(hào)選擇發(fā)射端信號(hào),在屏幕上同時(shí)顯示兩路信號(hào)。旋動(dòng)實(shí)驗(yàn)架右方轉(zhuǎn)輪,調(diào)節(jié)接收器的位置,可以發(fā)現(xiàn)發(fā)射端信號(hào)在屏幕上固定不變,接收端信號(hào)波形隨轉(zhuǎn)輪位置的不同發(fā)生變化,兩者的相位差φ隨兩者間距離作周期變化,可在360°范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)(如圖2)。
圖2
2.2 演示兩列波的同相疊加和反相疊加
調(diào)節(jié)接收端位置,使接收端信號(hào)與發(fā)射端信號(hào)同相。調(diào)整接收端通道的增益檔位和連續(xù)衰減因子,使兩路信號(hào)圖形完全重合,如圖3(a)所示。此時(shí),將示波器的顯示模式切換成兩路信號(hào)相加,屏幕上的圖形如圖3(b)所示,即為同相疊加時(shí),振動(dòng)加強(qiáng),合成振幅大小為原來兩個(gè)振幅大小之和。在此基礎(chǔ)上,改變接收端通道信號(hào)的增益,重復(fù)上面的實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生體會(huì)不同情況下振幅的相加。
圖3
隨后,調(diào)節(jié)接收端位置,使接收端信號(hào)與發(fā)射端信號(hào)反相。先調(diào)整接收端通道的增益檔位和連續(xù)衰減因子,使兩路信號(hào)圖形完全重合,如圖4(a)所示。此時(shí),將示波器的顯示模式切換成兩路信號(hào)相加,屏幕上的圖形如圖4(b)所示,即為反相疊加時(shí),振動(dòng)相消,合成振幅大小為原來兩個(gè)振幅大小之差。接著,改變接收端通道信號(hào)的增益,重復(fù)上面的實(shí)驗(yàn)。
圖4
2.3 演示兩列波的任意相位的疊加
聲速測定儀和雙蹤示波器是常用的普通物理教學(xué)儀器。我們所設(shè)計(jì)的演示實(shí)驗(yàn),利用了聲速測定儀能夠產(chǎn)生兩列波并且相位差連續(xù)可調(diào)的特點(diǎn)和雙蹤示波器可以同時(shí)顯示兩列波和它們的疊加結(jié)果的特點(diǎn)。在對(duì)中學(xué)生講解波的疊加以及波的干涉時(shí),該實(shí)驗(yàn)原理清晰、儀器簡單、現(xiàn)象豐富、便于演示,可以作為課堂教學(xué)的有益補(bǔ)充。
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* 通訊作者:翁華,教育碩士,主要研究中學(xué)物理教學(xué)。