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

1 引言

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。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

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

3 結(jié)語

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。

[1] 胡亞超等.基于多功能干涉儀的教學(xué)演示及測量應(yīng)用[J].物理實(shí)驗(yàn)，2017，(2).

[2] 雷航，程永進(jìn)，郭萬里.聲波波速測試儀[J].物理實(shí)驗(yàn)，2017，(3).

[3] 邵維科，趙霞，軒植華.駐波法測量聲速實(shí)驗(yàn)的討論[J].物理實(shí)驗(yàn)，2017，(3).

* 通訊作者：翁華，教育碩士，主要研究中學(xué)物理教學(xué)。