实时波形演示装置与波的图像

刘 闰

(云南省曲靖市民族中学，云南 曲靖 655000)

1 引言

现行高中教学中机械波是重点章节,课本中采用抖动软绳,简单演示横波,并无直观实验演示正弦波．在实际教学中教师多采用沙漏斗和拖板实验给学生展示正弦波形,但受实验本身限制,要求拖板匀速移动、沙漏振动的衰减要尽量小等,使得课堂演示效果不明显．同时该实验用单摆振动代替学生熟悉的质点往复振动,造成一定的认知困难．

2 实验设计的简图

1. 光电门立柱； 2. 滑块立柱(左)； 3. 滑槽(左)； 4. 连杆(左)； 5. 轴承(左)； 6. 电机箱(左)； 7. 开关(左)； 8. 滑块(左)； 9. 横杆； 10. 波形演示板； 11. 滑块立柱(右)； 12. 滑槽(右)； 13. 滑块(右)；14.连杆(右)；15.电机箱(右)；16.轴承(右)

图1 实验装置整体示意图

1. 光电门立柱； 2. 滑块立柱； 3. 滑槽； 8. 滑块； 18. 光电门信号接收器； 19. 光电门信号发射器； 20. 光电门数据显示器； 21. 导线

图2 光电门连接示意图

2. 滑块立柱； 3. 滑槽； 4. 连杆； 5. 轴承；6. 电机箱； 7. 开关； 8. 滑块； 17. 电机

图3 电机箱内部结构示意图

3 演示实验的操作步骤

装置的安装:在水平桌面如实验设计图(图1)固定好演示板和两个机箱;将电门信号接收器18安装在光电门立柱1上,光电门信号发射器19巧妙地固定在滑块立柱2上.

图4 电机箱内部结构示意图

图5 实验装置机箱正视图

3.1 横波的演示

(1) 将第一串珠子固定在滑块立柱2上,然后将电源打开.

(2) 打开调速开关,进行调节,直到观察到稳定的波形时,停止调节.

(3) 在合适的波形下,打开计时器的开关,进行周期的测量;在演示板刻度尺处读出一个完整波形的波长(若要更精确便捷地读出波长,可使用频闪相机或智能手机连拍功能记录某半周期下相应的波形样图进行静止读数).

(4) 继续旋调速开关的旋钮,调节电动机的转速,在另一个波形下读出周期和波长.

(5) 重复步骤4进行多次测量,并处理数据,计算出该种介质的波速．

3.2 波的衰减的演示

步骤同横波的演示.

3.3 波的叠加演示

(1) 第二串珠子固定在滑块立柱2上,然后将电源打开.

(2) 打开调速开关,进行左边电动机的调节,直到观察到稳定的波形时,停止调节.

(3) 进行右边电动机的调节,观察在演示板中央的波形叠加情况.

继续旋调速开关的旋钮,调节两个电动机的转速,观察波形叠加．

4 使用效果

用途1:用于横波的演示.

方法:同操作步骤2,并进行观察,图7所示．

图6 横波波形图

图7 波的衰减图

用途3:定性验证机械波在介质中的传播速度只与介质的种类有关.

方法: (1) 参照用途1步骤,如图9所示测出对应的周期和波长,并记录在表格中.

图8 波长、周期测量图

图9 同一介质波长和周期的关系图

(2) 利用Excel软件处理数据.

表1 波演示图样周期(T)、波长(λ)记录及

(3) 分析数据．同一介质下,机械波在同种介质下的传播速度不变．

用途4:可以探究机械波的波动图像和质点振动的关系.

方法:如操作步骤2,并观察红色的珠子．

图10 机械波的波动图像

用途5:波的叠加的演示.

方法:如操作步骤4,可以观察到在演示板的中央出现波的叠加．

用途6:验证不同介质中机械波波速不同.

选用不同的连珠、链环、或合适的绳测波速并比较,步骤同2.

用途7:证明机械波的传播是振动状态的传播

不是质点的传播.

图11 机械波的波动图像叠加

舍弃了教材中用手抖动细绳来演示机械波,更加准确的观察稳定的波,增加了学生的求知欲和课堂的趣味性;能激发学生探求真知的热情,学会用科学探究方法研究物理问题．

1 杨军,冯源,黄鑑.“机械波的形成和传播”教学设计及课堂实[J].物理通报,2014(1)： 72-74．