丁洪良

(江蘇省丹陽市教師發(fā)展中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212300)

1 引言

駐波是自然界一種十分常見的現(xiàn)象，橫波和縱波都能產(chǎn)生駐波現(xiàn)象，利用駐波能夠產(chǎn)生一些奇特的物理效果，筆者對(duì)“駐波懸浮”的原理進(jìn)行理論探討，介紹實(shí)驗(yàn)器材制作過程及演示方法。

2 實(shí)驗(yàn)原理

駐波可以看作是一種特殊的干涉，是頻率相同、傳輸方向相反的兩種波，沿傳輸方向形成的一種分布狀態(tài)。其顯性特征表現(xiàn)為在波形上有波節(jié)和波腹，且波節(jié)和波腹的位置始終是不變的，給人“駐立不動(dòng)”的印象。

如何實(shí)現(xiàn)駐波懸浮呢？先以橫波為例簡(jiǎn)單說明其原理，兩列振幅相同的弦波產(chǎn)生駐波現(xiàn)象時(shí)，波節(jié)處的質(zhì)點(diǎn)是不振動(dòng)的，而越遠(yuǎn)離波節(jié)處，質(zhì)點(diǎn)的振幅越大，在波腹處達(dá)到最大。當(dāng)波的頻率比較高時(shí)，眼睛已無法觀察到弦上質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，整個(gè)弦在空間形成一個(gè)固定的畫面(圖1)，就好像是靜止的一樣。嘗試用手去觸摸弦的不同部位，會(huì)感覺到一股持續(xù)的作用力，這種效果是弦對(duì)手的周期性高頻沖擊所產(chǎn)生的。就好像下雨天，當(dāng)落到傘上的雨滴足夠密集時(shí)，傘會(huì)受到一個(gè)持續(xù)向下的壓力，兩個(gè)事件的道理是一樣的。此時(shí)如果我們?cè)诓ü?jié)處放上一個(gè)輕質(zhì)小球，理論上它可以在此處于平衡狀態(tài)，就像是位于兩個(gè)正對(duì)的斜面中間的小球一樣。

圖1

圖2

但由于弦波是二維平面波，小球只受到來自左右的約束，而前后不受約束，這是一種不穩(wěn)定平衡，故以上分析是一種理想情況，要實(shí)現(xiàn)真正的穩(wěn)定平衡，必須要利用三維空間波，我們可以考慮利用聲波來實(shí)現(xiàn)。聲波是一種疏密波，由于空氣密度大的地方壓強(qiáng)大，密度小的地方壓強(qiáng)小，所以處在聲場(chǎng)中的物體就會(huì)受到壓強(qiáng)差產(chǎn)生的力，如圖2所示，球1上方的壓強(qiáng)小于下方的壓強(qiáng)，它會(huì)受到一個(gè)向上的力；而球2所處的位置上方壓強(qiáng)大于下方，所以它會(huì)受到一個(gè)向下的力。隨著聲波的傳播，球1和球2都會(huì)受到時(shí)而向上、時(shí)而向下的力，于是就振動(dòng)起來，它們的振動(dòng)頻率正是該聲波的頻率。如果圖中空氣疏密分布不隨時(shí)間發(fā)生移動(dòng)，則圖中的小球就會(huì)束縛在密度比較小的位置，因?yàn)榇藭r(shí)無論它是向上或向下漂移，都會(huì)受到回復(fù)力的作用，使它回到這個(gè)位置上，這樣就達(dá)到了懸浮的效果。筆者選擇了利用超聲波來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，原因有二：一是超聲頻率高，直線傳播性好，能量集中；二是超聲頻率超出了人耳的聽覺范圍，避免了噪聲影響。

3 器材準(zhǔn)備

(1) 超聲波振子外觀如圖3所示，功率為50W。

圖3

(2) 超聲驅(qū)動(dòng)板外觀如圖4所示，功率為100W，聲波頻率為28kHz。

圖4

(3) 透明有機(jī)玻璃板用于反射超聲波。

(4) 升降絲桿外觀如圖5所示，用于調(diào)節(jié)玻璃板與超聲振子之間的距離。

圖5

4 裝置簡(jiǎn)介

(1) 線路連接

驅(qū)動(dòng)板輸入的是220V交流電，接線不分正負(fù)。

(2) 支架安裝

如圖6所示，將升降絲桿豎直固定在水平桌面上，有機(jī)玻璃板用螺絲固定在升降滑塊上，使板面與桌面保持平行，超聲波振子置于玻璃板的正下方中央位置處。

圖6

(3) 工作原理

① 當(dāng)振子發(fā)出超聲波后，聲波向上直線傳播垂直入射到玻璃板后發(fā)生反射，反射波向下傳播。這樣頻率相同、振幅相同的兩列波在振子與玻璃板之間就能發(fā)生疊加，為駐波的產(chǎn)生創(chuàng)造了條件。

5 實(shí)驗(yàn)操作與演示效果

(1) 實(shí)驗(yàn)操作

① 在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前，可根據(jù)所用超聲振子的頻率參數(shù)計(jì)算出超聲波的波長(zhǎng)，然后調(diào)整好振子上表面和反射板之間的距離為波長(zhǎng)的整數(shù)倍，但考慮到距離過大會(huì)造成能量衰減過快，影響實(shí)驗(yàn)的成功率，故該距離為超聲波長(zhǎng)的5、6倍即可。

② 發(fā)波振子開啟后，我們可以用尖嘴鑷子(對(duì)超聲波阻擋較小)夾取一個(gè)泡沫小球嘗試放到發(fā)波面和反射面之間的中間位置，輕輕釋放小球即可，如果反復(fù)多次仍不能成功，說明駐波尚未形成，可在幾毫米之內(nèi)微調(diào)振子與板之間的距離，重新嘗試直到成功。

③ 一旦有一個(gè)小球懸浮成功，說明駐波形成，再擺放其他小球自然就很輕松了。

④ 當(dāng)各小球成一線懸浮后，我們可以嘗試微調(diào)發(fā)射板與發(fā)波面之間的距離，破壞駐波形成的條件，可以看到懸浮的小球會(huì)掉落下來。

圖7

(2) 演示效果

圖7為實(shí)際實(shí)驗(yàn)的效果圖，我們可以看到由于每個(gè)小球都是位于駐波中相鄰的振動(dòng)減弱區(qū)，故它們之間的距離是非常均勻的。圖8是用特殊紋影攝影法得到的照片，振動(dòng)減弱區(qū)和振動(dòng)加強(qiáng)區(qū)(淺色部分和深色部分)清晰可見，與前面的理論分析相一致。

圖8