杜 倩,代 偉,蔣金華，王 漫

(西華師范大學(xué) 物理與空間科學(xué)學(xué)院,四川 南充 637002)

在高中物理機(jī)械波學(xué)習(xí)中，波的形成和傳播是課堂教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，在教學(xué)中做好課堂演示實(shí)驗(yàn)可讓學(xué)生直觀感受波的形成與傳播. 為了讓學(xué)生更加直觀地觀察橫波和縱波的產(chǎn)生以及傳播情況，自制了橫波縱波波動(dòng)演示儀. 演示儀利用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以此帶動(dòng)橡皮筋和圓柱形彈簧振動(dòng)得到橫駐波與縱駐波. 演示儀原理清晰，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，用于波動(dòng)課堂教學(xué)演示能激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲.

1 教材中手搖式波動(dòng)演示儀器的不足

文獻(xiàn)[1]對(duì)波的形成與傳播的實(shí)驗(yàn)探究中，提供的實(shí)驗(yàn)演示裝置如圖1～2所示，該儀器具體操作方法是：握住手柄逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，直至所有振子排列均勻并整體振動(dòng)時(shí)，即可順時(shí)針旋轉(zhuǎn)手柄，不斷轉(zhuǎn)動(dòng)就會(huì)形成橫波和縱波，橫波一側(cè)面對(duì)學(xué)生，學(xué)生便會(huì)觀察到橫波，縱波一側(cè)面對(duì)學(xué)生，學(xué)生便會(huì)觀察到縱波.

圖1 橫波演示器

圖2 縱波演示器

手搖式橫波、縱波演示儀器在課堂教學(xué)中存在一定不足：1)傳統(tǒng)的手搖式波動(dòng)演示器上的各質(zhì)點(diǎn)是獨(dú)立的，給學(xué)生建立的是不完整的物理模型；2)橫波、縱波演示儀器只能分開進(jìn)行演示，不能在同一個(gè)裝置上同時(shí)展示出橫波與縱波的形成與傳播，教學(xué)演示時(shí)還需要2個(gè)裝置；3)操作復(fù)雜繁瑣，先要逆時(shí)針使所有振子排列均勻并整體振動(dòng)時(shí)才能順時(shí)針旋轉(zhuǎn)觀察波的情況.

2 自制波動(dòng)演示儀

自制橫波縱波波動(dòng)演示裝置如圖3所示. 裝置由木板、橡皮筋、圓柱形螺旋彈簧、直流調(diào)速電動(dòng)機(jī)、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)(結(jié)構(gòu)如圖4所示)、可調(diào)直流以及數(shù)字電壓表等組成. 為了更好地測(cè)量出橫波和縱波的波長(zhǎng)，在橫軸和縱軸木板上貼噴繪刻度尺. 演示橫波時(shí)通過(guò)振子上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)水平方向的橡皮筋上下振動(dòng)，此時(shí)振動(dòng)方向與波的傳播方向垂直，調(diào)節(jié)橡皮筋的松緊和電機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)調(diào)到某一值時(shí)便可在水平方向觀察到橫駐波，改變橡皮筋的松緊和電機(jī)的轉(zhuǎn)速可改變橫波的波長(zhǎng)和振幅. 演示縱波時(shí)通過(guò)振子上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)豎直方向的拉伸彈簧上下振動(dòng)，此時(shí)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致，調(diào)節(jié)彈簧的松緊和電機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)調(diào)到某一值時(shí)便可在豎直方向觀察到縱駐波，改變彈簧的松緊和電機(jī)的轉(zhuǎn)速可改變縱波的波長(zhǎng)和振幅. 在振子上安裝共振片或共振圓環(huán)可演示共振現(xiàn)象.

圖3 橫波縱波波動(dòng)演示儀

圖4 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

3 儀器操作方法

1)橫波的觀察

演示橫波時(shí)，首先將電壓調(diào)節(jié)旋鈕旋至最低再接通電源，同步調(diào)節(jié)電壓和橡皮筋長(zhǎng)度，直至看到清晰的橫駐波圖像，如圖5所示. 繼續(xù)增大電壓，波的個(gè)數(shù)也會(huì)增加，根據(jù)相鄰2個(gè)波節(jié)或波腹間水平方向的距離相差半個(gè)波長(zhǎng)，在橫波上找出2個(gè)相鄰波節(jié)或波腹，就可算出該橫波的波長(zhǎng).通過(guò)演示儀學(xué)生可看到橫波的形成與傳播過(guò)程.

圖5 橫波圖像

2)縱波、共振的觀察

和橫波觀察操作類似，調(diào)整輕質(zhì)彈簧長(zhǎng)度的同時(shí)改變電機(jī)電壓，直至清晰的縱波出現(xiàn)，現(xiàn)象如圖6所示. 繼續(xù)增大電壓，波的個(gè)數(shù)就會(huì)增加. 通過(guò)振動(dòng)圖像看到振動(dòng)密處是波腹，振動(dòng)疏處是波節(jié)，波腹到波腹的距離是半個(gè)波長(zhǎng)，進(jìn)而知道波長(zhǎng). 通過(guò)演示儀學(xué)生可看到縱波的形成與傳播過(guò)程.

圖6 縱波圖像

將共振條或共振圈裝在振子上，當(dāng)振子振動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為某一值時(shí)就會(huì)觀察到共振現(xiàn)象.

4 教具在物理教學(xué)中的作用

觀察和實(shí)驗(yàn)是學(xué)習(xí)物理的基礎(chǔ)，也是物理教學(xué)的重要手段. 利用教具開展物理教學(xué)對(duì)學(xué)生的感性知識(shí)的形成，以及學(xué)生觀察能力的培養(yǎng)具有獨(dú)特的作用，同時(shí)也是物理教學(xué)的重要手段.自制橫波縱波波動(dòng)演示儀在物理教學(xué)過(guò)程中發(fā)揮以下作用：a.給學(xué)生提供豐富的感性材料，加深學(xué)生對(duì)橫波、縱波的形成和2種波的特點(diǎn)的理解；b.有針對(duì)性設(shè)計(jì)制作教具，演示波動(dòng)現(xiàn)象，創(chuàng)設(shè)物理情境，能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和動(dòng)手能力.

5 教具創(chuàng)新之處

橫波縱波波動(dòng)演示儀是對(duì)傳統(tǒng)橫波、縱波演示儀器的不足的改進(jìn)，此裝置巧妙地利用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)檎褡拥纳舷峦鶑?fù)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)的電壓就可調(diào)節(jié)振子的頻率，裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)單，得到的橫波、縱波圖像完整、穩(wěn)定，便于學(xué)生觀察. 通過(guò)對(duì)比加深學(xué)生對(duì)橫波、縱波的理解與記憶，而且通過(guò)此教具使學(xué)生對(duì)受迫振動(dòng)也會(huì)有更深的認(rèn)識(shí).

[1] 陳熙謀，吳祖仁. 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理(選修3-4)[M]. 北京：北京科學(xué)出版社，2006：22-24.

[2] 孫榮恪，顏建廈，周慶龍. 利用廢舊吸管自制波動(dòng)演示器[J]. 中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2015(2)：37-39.

[3] 龐小梅,彭懿. 自制橫波演示儀[J]. 中學(xué)物理(高中版),2016，34(1)：42.

[4] 李陽(yáng)，王宏，韓艷玲. 橫波演示儀的設(shè)計(jì)與制作[J]. 物理通報(bào),2015(9):68-69.