楊萬琴,汪成瑞,張軼炳

(寧夏大學(xué) 物理與電子電氣工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

在高中物理教學(xué)中，有關(guān)機(jī)械波干涉與衍射的實(shí)驗(yàn)相對較少，本文應(yīng)用手機(jī)FrequencySoundGenerator軟件提供單頻率聲波，通過音響將聲波振動(dòng)放大，引起水槽中水波的振動(dòng)，讓機(jī)械波的干涉與衍射可視化.

1 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

演示機(jī)械波干涉與衍射實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖1所示.

(a)示意圖

(b)實(shí)物圖圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 制作材料

水槽，音響，臺(tái)燈，攝像頭，較輕的鐵軌道，小木板2塊，小木棒2根，紐扣型強(qiáng)磁鐵2塊，螺母2只，膠水，梯形玻璃磚2塊.

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器制作過程

1)在小木棒的一端固定1塊紐扣型強(qiáng)磁鐵(組成小振錘)，并使其可以吸附在鐵軌上，另一端固定1只螺母.

2)準(zhǔn)備2套音響，每套只留其中1個(gè)，用小木棒將音響喇叭與軌道用膠水粘在一起.

3)找透明的水槽，將其側(cè)面用黑色防水膠帶包裹起來，確保側(cè)邊不漏光.

4)準(zhǔn)備大小適合的LED臺(tái)燈，調(diào)整臺(tái)燈亮度和角度，使其盡可能照到整個(gè)水槽.

5)用手機(jī)FrequenceSoundGenerator軟件播放單頻率的聲波，聲波使音響喇叭振動(dòng)，而音響喇叭帶動(dòng)振錘振動(dòng)，產(chǎn)生2列同頻率的水波，進(jìn)而觀察干涉現(xiàn)象.

6)將2塊梯形玻璃磚并列放到水槽中，形成單縫，將振錘接入水槽中，觀察水波通過單縫時(shí)發(fā)生的衍射現(xiàn)象.

7)為使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯，可以將水波圖樣投影到屏幕上進(jìn)行觀察，同時(shí)調(diào)整攝像頭的位置，避免反光，使得條紋最明顯.

2 實(shí)驗(yàn)操作及現(xiàn)象分析

2.1 衍射現(xiàn)象演示

向水槽中加入適量水，在連接音響的軌道中插入振錘，用2塊玻璃磚排擺放成單縫，輸入頻率為15Hz聲音，即可觀察到如圖2所示水波單縫衍射現(xiàn)象.

圖2 水波衍射圖

2.2 干涉現(xiàn)象演示

在演示干涉現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)用1套音響連接2個(gè)振錘，然后用手機(jī)FrequencySoundGenerator軟件輸入15Hz聲音，由此可以觀察到的水波干涉現(xiàn)象，如圖3所示.

圖3 同頻率水波干涉圖

2.3 干涉條件驗(yàn)證

2列機(jī)械波要發(fā)生干涉，必須滿足頻率相同、振動(dòng)方向一致、相位差恒定的條件，由于水波的波長較大，很容易實(shí)現(xiàn)相位差恒定，因此該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中對其不進(jìn)行考慮，只對頻率和振動(dòng)方向2個(gè)條件進(jìn)行驗(yàn)證.

1)驗(yàn)證機(jī)械波干涉與頻率的關(guān)系

為驗(yàn)證只有頻率相同的2列聲波才可以發(fā)生干涉，故左邊音響輸入15Hz聲音，右邊音響輸入30Hz聲音，觀察實(shí)驗(yàn)波形如圖4所示.

圖4 不同頻率水波干涉圖

與同頻率的水波干涉圖樣(圖3)相比較，不同頻率的水波干涉圖樣振動(dòng)缺乏規(guī)律性，沒有明顯的振動(dòng)加強(qiáng)區(qū)和振動(dòng)減弱區(qū). 因此可以驗(yàn)證，只有滿足振動(dòng)頻率相同的2列波才能發(fā)生干涉，不同頻率的2列水波相遇時(shí)只是簡單非相干疊加，從而引起水面的無規(guī)律擾動(dòng).

2)干涉疊加區(qū)的確定

干涉現(xiàn)象主要分布在2個(gè)振源的連線的中垂線上及中垂線兩側(cè)，因此在該區(qū)域2列波的振動(dòng)方向是一致. 用對應(yīng)的方法找出實(shí)際波形圖中的振動(dòng)加強(qiáng)區(qū)和減弱區(qū)(圖5).

圖5 振動(dòng)疊加區(qū)分布圖

通過觀察可以看出，實(shí)際干涉圖樣中，振動(dòng)加強(qiáng)區(qū)和減弱區(qū)也分布在振源間連線的中垂線上及其兩側(cè)，因此在實(shí)驗(yàn)過程中選擇該區(qū)域?yàn)橛^察區(qū).

3 結(jié)束語

該實(shí)驗(yàn)借助聲源振動(dòng)演示機(jī)械波干涉與衍射現(xiàn)象，不僅改進(jìn)了該實(shí)驗(yàn)，也啟發(fā)了中學(xué)物理教師的創(chuàng)新思維，物理教師不僅應(yīng)該從物理知識上懂得物理實(shí)驗(yàn)，物理操作技能上達(dá)到會(huì)做物理實(shí)驗(yàn)，更應(yīng)具有研究物理實(shí)驗(yàn)的能力.

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