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        兩列同方向同頻率波疊加的演示實驗*

        2017-07-07 14:25:48
        物理之友 2017年6期
        關(guān)鍵詞:測定儀示波器聲速

        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驗*

        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,生動形象的實驗現(xiàn)象有助于學(xué)生理解和掌握波疊加的知識。

        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)生活實踐的各個方面,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,也可以是機械波的干涉。深入理解并掌握波的干涉條件和現(xiàn)象,對于學(xué)生認(rèn)識事物的物理本質(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)生對三角函數(shù)的數(shù)學(xué)知識不太熟練,對于兩列同方向同頻率的波疊加以后的結(jié)果,往往從形式上進行記憶,而課堂上教師除了運用公式說明現(xiàn)象外,常常借助圖像或由特定軟件制作的動畫來幫助學(xué)生理解波疊加的特點。這可以起到一定效果,但物理是一門實驗科學(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,通過各種實驗現(xiàn)象將波的疊加結(jié)果具體表現(xiàn)出來。

        2 實驗設(shè)計

        在如圖1所示的實驗裝置中,聲速測定儀由聲波信號源和實驗架兩部分構(gòu)成。實驗架上的S1和S2為壓電陶瓷換能器,實現(xiàn)電信號和聲信號的相互轉(zhuǎn)化。S1為發(fā)射端,固定不動,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,聲波信號源的S1端輸出電信號至實驗架的發(fā)射端S1,同樣的信號經(jīng)過CH1端送入示波器通道1進行輸出。聲波信號源的S2端接收實驗架上接收端S2的電信號,經(jīng)過CH2端送入示波器通道2進行輸出。

        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通道分別接入發(fā)射端和接收端的兩路信號,掃描激發(fā)信號選擇發(fā)射端信號,在屏幕上同時顯示兩路信號。旋動實驗架右方轉(zhuǎn)輪,調(diào)節(jié)接收器的位置,可以發(fā)現(xiàn)發(fā)射端信號在屏幕上固定不變,接收端信號波形隨轉(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,使接收端信號與發(fā)射端信號同相。調(diào)整接收端通道的增益檔位和連續(xù)衰減因子,使兩路信號圖形完全重合,如圖3(a)所示。此時,將示波器的顯示模式切換成兩路信號相加,屏幕上的圖形如圖3(b)所示,即為同相疊加時,振動加強,合成振幅大小為原來兩個振幅大小之和。在此基礎(chǔ)上,改變接收端通道信號的增益,重復(fù)上面的實驗,讓學(xué)生體會不同情況下振幅的相加。

        圖3

        隨后,調(diào)節(jié)接收端位置,使接收端信號與發(fā)射端信號反相。先調(diào)整接收端通道的增益檔位和連續(xù)衰減因子,使兩路信號圖形完全重合,如圖4(a)所示。此時,將示波器的顯示模式切換成兩路信號相加,屏幕上的圖形如圖4(b)所示,即為反相疊加時,振動相消,合成振幅大小為原來兩個振幅大小之差。接著,改變接收端通道信號的增益,重復(fù)上面的實驗。

        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)計的演示實驗,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)的特點和雙蹤示波器可以同時顯示兩列波和它們的疊加結(jié)果的特點。在對中學(xué)生講解波的疊加以及波的干涉時,該實驗原理清晰、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].物理實驗,2017,(2).

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

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

        * 通訊作者:翁華,教育碩士,主要研究中學(xué)物理教學(xué)。

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