喬曉午 張 靜

一、選題背景

在講授人教版高中物理選修3-4《質(zhì)點(diǎn)的振動》和《機(jī)械波》兩部分知識時，學(xué)生對質(zhì)點(diǎn)振動圖像和波在介質(zhì)中傳播的波動圖像產(chǎn)生混淆。振動圖像和波動圖像從圖形上看很相似，但實(shí)際上它們有本質(zhì)的區(qū)別。

(1)物理意義不同：振動圖像表示同一質(zhì)點(diǎn)在不同時刻的位移，波動圖像表示介質(zhì)中的各個質(zhì)點(diǎn)在同一時刻的位移。

(2)圖像的橫坐標(biāo)的單位不同：振動圖像的橫坐標(biāo)表示時間，波動圖像的橫坐標(biāo)表示距離。

(3)從振動圖像上可以讀出振幅和周期，從波動圖像上可以讀出振幅和波長。

在常規(guī)教學(xué)中經(jīng)常用到列表法使學(xué)生比較學(xué)習(xí)波動圖像與振動圖像的區(qū)別與聯(lián)系(如圖1所示)。但是該方法的不足之處是學(xué)生不能直觀地感受波動和振動圖像的動態(tài)變化規(guī)律，尤其是學(xué)生在解決時間變化時，波動和振動兩個圖像的變化問題，學(xué)生不容易畫出正確的變化后的圖像形狀。

圖1 波動圖像與振動圖像的區(qū)別與聯(lián)系

再如，學(xué)生解決兩種圖像隨時間變化的問題有較大難度(如圖2所示)。因此萌生了制作一個可以動態(tài)展示波動和振動圖像的教具的想法。

圖2

二、基本思路

1.思路

通過對波動中常見的問題進(jìn)行匯總和思考，得出了最終要做一個波動振動同步變化又能分開展示的教學(xué)儀器的目標(biāo)。于是查閱了相關(guān)書籍和網(wǎng)上的參考資料，又向高級教師咨詢了相關(guān)專業(yè)知識，最終確定了研究的思路和方向：設(shè)計方案，繪出圖紙，準(zhǔn)備材料，制作完成，進(jìn)行驗(yàn)證，探究使用。確定項(xiàng)目后，就開始著手做各種準(zhǔn)備。

2.設(shè)計方案

由于質(zhì)點(diǎn)的振動圖像和機(jī)械波的波動圖像在形狀上具有相似性，因此用同一個正弦圖像表示振動和波動。為了達(dá)到同步效果，兩個圖像顯示采用共軸轉(zhuǎn)動原理。根據(jù)振動和波動的動態(tài)變化特點(diǎn)，選擇使用錯位遮擋法區(qū)別圖像。

變化規(guī)律的不同?？紤]到學(xué)生接受能力弱的特點(diǎn)，首先初步分開演示，然后再同步比較演示，所以設(shè)計了遮幕實(shí)現(xiàn)分開展示的效果。

為了突出波源振子的振動，設(shè)計了放大管突出波源運(yùn)動，可以使學(xué)生更容易理解波源在波傳播過程中的波動和振源振動之間的關(guān)系。

結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖如圖3～5所示。

圖3

圖4

圖5

三、使用的材料

廢棄門框1個，鋁塑板2塊，轉(zhuǎn)軸2根，噴繪幕布1條，調(diào)速電機(jī)1臺，有機(jī)玻璃管1根。

四、制作方法

將各種準(zhǔn)備好的材料收集起來開始制作，制作的具體實(shí)施步驟：依據(jù)項(xiàng)目的制作原理，構(gòu)思演示儀的輪廓和結(jié)構(gòu)；根據(jù)演示儀的輪廓和結(jié)構(gòu)，繪制草圖；準(zhǔn)備所需的材料、器材和工具。

制作探究儀的具體步驟如下。

框架的制作：框架采用了木質(zhì)材料制作而成。選擇合適的尺寸切割，再把框兩邊的中部掏一個長方形的空槽用來安裝和固定前后的鋁塑板。

幕布的制作：量好鋁塑板上開口的尺寸，將幕布需要裁剪的部分進(jìn)行剔除，并將幕布首尾相接，做成閉合的傳送履帶。

傳動軸的安裝：將軸承架用長螺絲固定在框架上(注意兩個軸要平行)，將軸纏上橡皮膏防止打滑，然后安裝到軸承架上。

放大管的制作：將一個有機(jī)玻璃管選擇合適的長度裁剪，在管中加滿水并將兩頭用橡膠塞密封。為了便于安裝，在放大管兩端加裝粘連，便于在前顯示板固定和拆卸。

最后調(diào)試：調(diào)節(jié)變速開關(guān)，使電機(jī)運(yùn)行速度快慢適中，檢查遮布的遮光效果和中間幕布的轉(zhuǎn)動情況。

制作過程：在學(xué)校創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室將各種部件材料組裝制作成最終的儀器。

五、作品結(jié)構(gòu)實(shí)物圖及使用

實(shí)物圖如圖6～9所示。

圖6

圖7

圖8

圖9

使用方法。首先將放大管固定好，并將要演示的窗口上的遮布取下，接通電源；打開電機(jī)開關(guān)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速使幕布以適當(dāng)?shù)乃俣葎蛩俎D(zhuǎn)動，在窗口處展示動態(tài)圖像；轉(zhuǎn)換遮擋窗口，進(jìn)行下一個圖像的展示；根據(jù)需要進(jìn)行兩個圖像的同步動態(tài)展示，并在適當(dāng)位置關(guān)閉開關(guān)暫停，讓學(xué)生觀察瞬時狀態(tài)。

六、創(chuàng)新點(diǎn)

可以演示質(zhì)點(diǎn)簡諧振動過程，動態(tài)演示簡諧振動時位移—時間圖像的描繪過程，演示波動的傳播過程，觀察振源振動和波動傳播的關(guān)系，演示振源振動和波動傳播隨時間變化時的動態(tài)規(guī)律?，F(xiàn)象明顯、安全可行，能將振動波動圖像進(jìn)行分開和同時動態(tài)展示，也可以隨時暫停對學(xué)生進(jìn)行即時講解。使用簡單，操作方便，原理準(zhǔn)確，科學(xué)環(huán)保。

七、結(jié)語

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，隨時注意觀察生活，用發(fā)現(xiàn)的眼睛和智慧的雙手、發(fā)現(xiàn)、制作。這樣能夠發(fā)明創(chuàng)造出各式各樣、新奇獨(dú)特的教具，給教學(xué)帶來意想不到的妙處。創(chuàng)新教具在素質(zhì)教育實(shí)施的今天，能夠照亮發(fā)明創(chuàng)造征程。