羅冬玲 梁志輝 張軍朋

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

1 問題的提出

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》強(qiáng)調(diào)演示實(shí)驗(yàn)是師生共同探究物理問題的學(xué)習(xí)方式，也是體驗(yàn)性較強(qiáng)的學(xué)習(xí)方式，指出教師應(yīng)該積極利用各種器材，積極創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方式，盡可能多開發(fā)可視性強(qiáng)、證據(jù)性強(qiáng)、能引起學(xué)生濃厚興趣的演示實(shí)驗(yàn)[1].“機(jī)械波的形成與傳播”是選擇物理的學(xué)生必須掌握的重點(diǎn)知識(shí)，同時(shí)也是難點(diǎn)知識(shí).課標(biāo)對(duì)這一節(jié)的要求是：“學(xué)生通過觀察，認(rèn)識(shí)波的特征”.

在“機(jī)械波的形成與傳播”這一節(jié)的教學(xué)中，不少教師會(huì)利用一段普通繩子(沒有彈性)演示繩波，作為新課導(dǎo)入演示實(shí)驗(yàn)，如圖1所示，并以此作為后續(xù)建立繩波模型的情景，如圖 2所示.圖1和圖2均來(lái)自粵教版高中物理教材(2019版).

圖1 繩波的演示

圖2 繩波模型

這導(dǎo)致學(xué)生很容易產(chǎn)生疑問：繩子在振動(dòng)過程中，由于形狀發(fā)生彎曲，沿傳播方向的長(zhǎng)度就會(huì)變短，而教材中給出的繩波模型中，繩子沿傳播方向的長(zhǎng)度并沒有因?yàn)槔K子形狀發(fā)生彎曲而變短.這樣會(huì)導(dǎo)致學(xué)生對(duì)于“質(zhì)點(diǎn)只在平衡位置附近振動(dòng)”沒有直觀的認(rèn)知，理解起來(lái)比較吃力；此外由于脈沖速度大以及反射波的干擾，用繩子演示橫波現(xiàn)象并不明顯.

常見的演示機(jī)械波的形成與傳播的儀器還有實(shí)驗(yàn)室的傳統(tǒng)手搖橫縱波演示器.值得注意的是，這種儀器演示的不是真正的機(jī)械波，只能算是模擬機(jī)械波，而且存在一個(gè)致命的缺點(diǎn)，即停止搖動(dòng)，波也會(huì)立刻停止.這容易導(dǎo)致學(xué)生形成“波源停止振動(dòng)，波也不再傳播”的錯(cuò)誤概念.

因此,在教學(xué)中用一般的繩子和手搖式橫縱波演示器來(lái)演示機(jī)械波經(jīng)不起論證，不合適.那么,如何才能真正演示機(jī)械波的產(chǎn)生和傳播特點(diǎn),下面對(duì)現(xiàn)有機(jī)械波演示器作一對(duì)比.

2 機(jī)械波演示器的對(duì)比

梳理已有的機(jī)械波演示器，大致可以分為以下3類.

2.1 完全模擬橫波和縱波的演示器

這類演示器一般是靠機(jī)械傳動(dòng)裝置(凸輪結(jié)構(gòu))帶動(dòng)振子運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生橫波、縱波波形圖像.實(shí)驗(yàn)室常見的手搖式橫、縱波演示器便屬于此類，如圖3所示(網(wǎng)絡(luò)圖片).

圖3 手搖式橫波、縱波演示器

手搖式橫、縱波演示器雖然廣泛存在各中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室中，但存在嚴(yán)重的不足：

(1)傳統(tǒng)的手搖式橫波、縱波演示器各個(gè)質(zhì)點(diǎn)是獨(dú)立的，內(nèi)部結(jié)構(gòu)不可視；

(2)不能同時(shí)演示模擬橫波和縱波的波形圖像，即在同一裝置中，學(xué)生一次只能觀察其中一種波形圖像；

(3)停止搖動(dòng)，波也會(huì)立刻停止，容易導(dǎo)致學(xué)生形成錯(cuò)誤概念.

在此基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)儀器廠家生產(chǎn)了可以同時(shí)觀察橫波和縱波波形圖像的演示器，克服了一些手搖式橫縱波演示器的不足，如圖4所示(網(wǎng)絡(luò)圖片).

圖4 22015波動(dòng)演示器

這類橫波、縱波演示器操作簡(jiǎn)單，只需握住手柄，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，使所有振子歸位，成均勻直線排列，然后順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，就能同時(shí)看到橫波和縱波的圖像.

有些發(fā)表的有關(guān)自制橫波、縱波演示器的文章[2]，所謂自制的波動(dòng)演示器本質(zhì)上就是這種完全模擬的演示器，這表明有的教師對(duì)于機(jī)械波形成的本質(zhì)原因還存在誤區(qū)，對(duì)有些物理概念和物理規(guī)律的本質(zhì)理解不到位.

還有一種利用數(shù)字集成電路演示橫波、縱波圖像的CMOS數(shù)字集成電路波動(dòng)演示器，如圖5所示(網(wǎng)絡(luò)圖片)，按動(dòng)開關(guān)，調(diào)節(jié)好周期，即可演示橫波、縱波波形圖像.

圖5 CMOS數(shù)字集成電路波動(dòng)演示器

此類機(jī)械波演示器，操作簡(jiǎn)單方便，振子定位準(zhǔn)確，圖像美觀，但不管如何改進(jìn)都存在致命缺點(diǎn).靠凸輪結(jié)構(gòu)機(jī)械傳動(dòng)帶動(dòng)振子運(yùn)動(dòng)或集成電路控制的波動(dòng)演示器，沒有實(shí)際的橫波和縱波產(chǎn)生，只能反映振動(dòng)和波動(dòng)的圖像，但并不能反映機(jī)械振動(dòng)狀態(tài)通過彈性力傳播而形成機(jī)械波這一物理本質(zhì)，即演示出來(lái)的現(xiàn)象并不是真正的機(jī)械波.

這類機(jī)械波演示器雖然演示的不是真正的機(jī)械波，但卻存在于各高校和中學(xué)的物理實(shí)驗(yàn)室，很大的原因就是演示模擬設(shè)備雖然不能演示真實(shí)的機(jī)械波動(dòng)現(xiàn)象，但通過向觀察者展示設(shè)備的實(shí)際操作，能讓高中生對(duì)理解抽象的振動(dòng)和波動(dòng)相關(guān)現(xiàn)象和知識(shí)有很大幫助.

2.2 演示真正機(jī)械波的單一演示器

2.2.1 利用彈性體扭曲形變演示橫波

利用彈性體扭曲形變可演示真正的橫波形成過程，如圖6(網(wǎng)絡(luò)圖片)所示.

圖6 彈性體扭轉(zhuǎn)形變橫波演示器

將一端有小球的支架固定在松緊帶上，使用前先調(diào)節(jié)支架間的距離，使松緊帶的松緊適宜.然后調(diào)節(jié)小球，使兩邊的小球都在同一直線上.演示時(shí)，撥動(dòng)一端的小球使其上下振動(dòng)，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)擺球擺動(dòng)起來(lái)后，松緊帶便會(huì)把驅(qū)動(dòng)力傳遞到相鄰的擺桿上，其余小球依次受到力的作用，順序振動(dòng)，形成橫波.

彈簧體扭轉(zhuǎn)形變橫波演示器演示的是真正橫波的形成過程.但此橫波演示器不適用于實(shí)際授課，該裝置與教材中提供的橫波模型配合不一致，學(xué)生不易理解接受.

2.2.2 共振擺改裝成橫波演示器

利用彈性繩子帶動(dòng)相鄰的彈簧振子依次開始做簡(jiǎn)諧振動(dòng)，隨著時(shí)間推移，在空間上形成橫波,如圖7所示.用彈性繩子把足夠多的彈簧振子依次連接起來(lái)，使彈簧下端的小球水平排列成一條直線，控制好力度，用手使第一個(gè)振子做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，第一個(gè)小球的振動(dòng)通過彈性繩傳播下去，形成一列持續(xù)傳播的橫波[3，4].

圖7 利用懸掛起來(lái)的彈簧演示縱波

這種橫波演示器將擺球懸掛起來(lái)，避免了重力和摩擦力的影響，第一個(gè)做簡(jiǎn)諧振動(dòng)的小球的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)在彈性繩的作用下，依次傳播到相鄰的小球，演示的是真正橫波形成的過程.但要想現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)效果明顯，可視性強(qiáng)，演示器要制作得龐大，會(huì)導(dǎo)致不易攜帶.

將彈簧用細(xì)線懸掛起來(lái)，控制彈簧圈的疏密程度，用手輕輕撥動(dòng)與彈簧一端相連的振子，也可以用直流減速電機(jī)帶動(dòng)曲柄連桿結(jié)構(gòu)使振子水平往復(fù)振動(dòng)，便可以形成一列縱波[4]，如圖8(網(wǎng)絡(luò)圖片)所示.

圖8 彈簧式縱波演示器

懸掛式彈簧縱波演示器演示的是真正的縱波物理模型，相比教科書中，把彈簧直接放在地面上，把彈簧懸掛起來(lái)減小了摩擦力，振幅的衰減沒那么厲害，但在實(shí)際使用中，由于長(zhǎng)彈簧容易損壞，體積小，容易導(dǎo)致演示效果不佳.

2.3 演示真正橫波和縱波的演示器

利用功放的振動(dòng)或電機(jī)的帶動(dòng)，可以讓與功放相連的繩子在水平方向形成橫波，讓與另一個(gè)功放相連的彈簧在豎直方向形成縱波[5].

調(diào)節(jié)功放的頻率和橡皮筋的松緊可以改變橫波的波長(zhǎng)和振幅.通過調(diào)節(jié)彈簧的松緊和功放的轉(zhuǎn)速可改變縱波的波長(zhǎng)和振幅.

(a)

(b)

這種機(jī)械波演示器存在以下優(yōu)點(diǎn):

(1)演示的是真正的橫波和縱波模型；

(2)可同時(shí)演示橫波與縱波，讓學(xué)生對(duì)波的振動(dòng)方向與傳播方向的關(guān)系有直觀的視覺對(duì)比；

(3)橫、縱波的波長(zhǎng)和振幅是可調(diào)節(jié)的；

(4)調(diào)節(jié)功放功率，可以觀察共振現(xiàn)象.

可觀察到穩(wěn)定的波形，學(xué)生可直觀觀察到波的個(gè)數(shù)，進(jìn)而更容易理解波長(zhǎng).當(dāng)然也存在一定的缺點(diǎn)：

(1)需要一定的造價(jià)成本，制作復(fù)雜.

(2)儀器比較小，不利于后面的學(xué)生觀察.

3 總結(jié)

綜上所述，對(duì)于橫波、縱波的演示，傳統(tǒng)的手搖式橫波、縱波演示器只能模擬機(jī)械波，演示的不是真正的機(jī)械波，存在致命缺陷.教師在選擇演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)該思考所選擇的實(shí)驗(yàn)?zāi)芊穹从澄锢砀拍詈鸵?guī)律的本質(zhì)，在此基礎(chǔ)上考慮實(shí)驗(yàn)方案的優(yōu)化.其余的演示真正機(jī)械波的演示器各自有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，教師可以根據(jù)需要進(jìn)行選擇和改進(jìn)，例如利用功放振動(dòng)的橫波、縱波演示器雖然存在裝置小，學(xué)生不易觀察的缺點(diǎn)，但教師可以采取投屏或錄像的形式展示在PPT中，這樣每個(gè)學(xué)生都可以看清.

機(jī)械振動(dòng)在彈性媒質(zhì)中順次傳播形成機(jī)械波，新的波動(dòng)演示器的設(shè)計(jì)制作應(yīng)反映這一物理本質(zhì)，應(yīng)使學(xué)生通過演示實(shí)驗(yàn)直觀地理解振動(dòng)與波動(dòng)的關(guān)系.