“情·景·型”模式在机械波传播教学中的应用

张远强

（遵义师范学院物理与机电工程学院，贵州遵义563002）

在进行《波的形成和传播》一节的教学时，学生对传波物质不“迁移”和机械波呈现“周期性”理解不透彻。在具体的教学过程中，与学生沟通时，发现学生的“结症”在于不能在头脑里正确建立“波是机械振动的能量和形式在媒质中的传播”的“模型”。

一、营造简单的“情”与“景”，构建雏“型”

为了让学生正解理解机械波的传播，笔者由“看得见”的绳波入手（见图1），先让学生自学教材第24页的横波的形成过程，出示问题：

（1）绳上每一点开始运动时的运动方向；

（2）绳上各点运动的先后顺序；

（3）绳上各点运动的能量来自哪里；

（4）波源振动一周期的时间内，不同时刻的波形是否相同；

学生自学完后都能回答：绳上每一点开始运动时的运动方向与波源开始振动的方向相同；绳子各部分可看成是相互之间存在弹力的质点，沿波传播方向，前一质点依次带动后一质点，后一质点延迟振动，绳端上下振动的状态就沿绳子传递出去，从整体上看，就形成凹凸相间的波形；绳上各点运动的能量来自前质点，最终来自波源，也就是说各质点的振动是受迫振动；波源振动一周期的时间内，不同时刻的波形是不相同的；这样就使学生在绳波情景下在头脑里建立起“波”的模型。

图1

然后结合教材的“做一做”实验，抽一组身高相近的学生排成一行，手举一条彩色布带，从左边第一位同学开始，周期性地下蹲、起立，后面的同学依次重复前一个同学的动作，只是后一位同学总比前一位同学稍迟一些。这样就会看到凹凸相间的波沿着队伍传播出去，而每一位同学的脚并没有移动。让同学们亲身体验后再出示并回答问题：

（5）彩色布带的作用是什么？

前一位同学通过它传递开始下蹲和起立的信息，起到传递信息和能量的作用，就是传播振动形式的介质；

（6）每一位同学只是重复下蹲、起立的动作，但脚并没有移动，这说明了什么？

说明机械波形成的过程中，各质点在各自的平衡位置附近振动，将振动形式传递出去，质点并不迁移。

这样通过同学们亲自营造“情”、“景”，模拟波的形成过程，感受波的特点，对波的认识就有了初步的“型”。

当波源持续振动时，又怎样呢？设想某波源在振动中沿柔软的细绳发出一列横波。在第一个周期内，该波在原绷直的细绳的A端开始传播。当A振动完一个周期，振动形式恰传至B点，且在A、B间形成的横波如图2。

图2

而B点对于B点后绳上各点来说，自然相当于“波源”（也称“前质点”）。如果不考虑阻力存在，A再振动一个周期时，B点的振动又要沿绳传至C点，在B、C间也形成与A、B部分完全相同的横波，以致在绳A、C部分就呈现出如图3示的波形。

图3

从这里可以看出，绳子B、C部分形成的横波只是B点振动在B、C部分的传播，并非是第一个波形A、B“平移”来的，A、B段的波依旧保持着它本来的横波面目。

这个讲法，是合乎教材要求的。但结合课堂教学信息反馈可发现，在或多或少的学生心里仍然留有这么一个印象：B、C部分的波形是A、B部分平移来的，A、B部分的波形平移至B、C后，A、B部分的细绳又还原成了先前的“绷直”状态。

既然学生记住了“传波物质不迁移”和“机械波呈现的周期性”，为啥还会出现“A、B部分的波形平移至B、C后，A、B部分的细绳又要还原到到先前的‘绷直’状态呢？”

二、引导分析“情”与“景”，发展定“型”

在具体教学过程中，针对学生的实际情况，按以下步骤循序渐进地对学生进行引导，可收到良好的教学效果。

（1）细绳的A、B段所以形成图3所示的波形，是因为组成A、B段细绳中的各质点先后振动，且相邻后质点总要“学”前质点的样子振动。因不同质点振动的时间有先后之分，所以才形成图3样的正弦波。

（2）A、B段细绳中的A点学振源的模样完成一个全振动（即A的振动传到B）后，B点又会带动B、C段中各质点先后“学”A、B段各质点振动，当又经一个周期时，B、C段细绳也表现出了和A、B段同样形状的波。这个波形形状虽然与A、B段波形相同，但绝不是A、B段“平移”过来的，因为B、C段中各点振动在形成正弦波的过程中，振源还在把振动传给A，因而A、B段中各点的振动仍在继续。

（3）只要振源不停止振动，A、B段细绳各质点就会按自己已经得到的能量、已经安排好的时间永远地振动下去，绝不会因为B、C段细绳波形的出现而“还原”成绷直状态。

（4）同样的道理，（只要振源提供能量不变）细绳B、C段以后的C、D……各段，虽然也要先后形成同样的正弦波，但它们的形成既不会影响前面各段已形成的波形，也不是前面各段细绳形成波形的“平移”，更不是波源的“平移”。

三、拓宽“情”与“景”，引伸成“型”

当横波的“情、景”在学生头脑里真正成“型”以后，要建立纵波的传播模型就比较容易。

先演示教材25页纵波的形成实验（见图4），要求同学注意观察弹簧中形成的波的表现：（1）弹簧中小布条A的运动状况；（2）振源停止振动后，弹簧中的波动也会马上停止吗？演示后同学们很容易知道，弹簧中的波动表现为疏密相间的波在弹簧上传播；小布条A只是在它平衡位置附近来回振动，没有随波迁移；波源停止振动后，波动不会马上停止，仍然在由近及远向远处传播。

图4

再设想某声波波源发出的声波（为方便研究，只考虑从左向右传播的）在空气中传播，由如图5知道，设想处于01之左附近的声源向右发出一定频率的声波后，平衡位置在01的A部分空气开始向右振动。达振幅后既要迫使平衡位置在02的 B部分空气振动，自己却要返回且经平衡位置01向左。以后平衡位置在02的 B部分空气又要迫使平衡位置在03的C部分空气振动……如此相互影响，波源发出的纵波便由波源处经空气由近及远地传播开去。

图5

这里也可以看出，尽管声源的振动形式和能量被周围的空气传播开了，但波源并没有迁移，传递声波的空气的不同部分A、B、C也没有迁移！

综上所述，经这样处理后，机械波传播的情、景和型都在学生头脑里建立起来，学生对机械波的传播再不感到难于理解，对传波“物质不迁移”和机械波呈现“周期性”也运用自如。

[1]人民教育出版社物理室.全日制普通高级中学教科书·物理(第2册,第二版)[M].北京:人民教育出版社,2006.

[2]人民教育出版社物理室. 编著全日制普通高级中学教师教学用书(必修加选修)·物理(第2册,第二版)[M].北京:人民教育出版社,2006.

[3]物理课程教材研究中心.普通高中课程标准实验教科书·物理(选修3-4·第三版)[M].北京:人民教育出版社,2010.

[4]物理课程教材研究中心.普通高中课程标准实验教科书·物理(选修3-4,教师教学用书,第四版)[M].北京:人民教育出版社,2010.