黎 蕊，代 偉，龔韓莉

(西華師范大學(xué) 物理與空間科學(xué)學(xué)院,四川 南充 637002)

兩列沿相反方向傳播的振幅相同、頻率相同的波疊加時(shí)形成的波叫作駐波。駐波是自然界一種十分常見(jiàn)的現(xiàn)象，生活中無(wú)處不在，例如水波、樂(lè)器發(fā)聲、樹(shù)梢震顫等都與駐波有關(guān)。駐波是物理教學(xué)中比較重要的一部分內(nèi)容[1]。駐波是一種常見(jiàn)的物理現(xiàn)象。各種樂(lè)器的發(fā)聲原理都是和駐波相關(guān)的。比如常見(jiàn)的弦樂(lè)器和管樂(lè)器分別是利用了弦上的駐波和管中的駐波進(jìn)行發(fā)聲。由于駐波應(yīng)用的廣泛性，國(guó)外的很多高中物理教材都把關(guān)于駐波的理論和應(yīng)用列入其中。聲音是一種可以聽(tīng)得到，卻摸不著的物質(zhì)，同樣聲駐波現(xiàn)象也十分常見(jiàn)，比如：任意兩面平行的墻壁之間都會(huì)有聲駐波現(xiàn)象的產(chǎn)生，此外，將耳朵放在保溫杯的瓶口會(huì)聽(tīng)到里面嗡嗡的聲音，這也是聲駐波現(xiàn)象。在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中老師如果沒(méi)有直觀的演示裝置只用抽象的語(yǔ)言來(lái)描述抽象的聲駐波現(xiàn)象學(xué)生不易理解。那么，怎樣得到兩列沿相反方向傳播的波，而且這兩列波的振幅和頻率都相同呢?在實(shí)踐中一般是利用了波的反射。比如說(shuō)弦上的駐波，當(dāng)聲波傳播到固定端時(shí)會(huì)發(fā)生反射，反射波與入射波傳播方向相反，振幅和頻率都相同。因此，入射波和反射波的疊加形成駐波[2]。對(duì)于管中的駐波，當(dāng)聲波傳播到閉口端時(shí)同樣發(fā)生反射，入射波和反射波疊加形成駐波。

聲駐波是縱波學(xué)生理解起來(lái)有一定困難，要使學(xué)生很好地理解聲波的知識(shí)往往需要借助相關(guān)教學(xué)儀器，但現(xiàn)有的聲駐波演示裝置很少且效果不太好，操作不夠方便，因此很難吸引學(xué)生的注意力，為了解決這一難題以便更好地吸引學(xué)生的興趣，提高教學(xué)效果，對(duì)現(xiàn)有的聲駐波演示裝置進(jìn)行了改進(jìn)。新的演示裝置不需要信號(hào)發(fā)生器，只需要在手機(jī)上下載信號(hào)管理器App就可以得到需要的音頻信號(hào)，該軟件所有的控制都可通過(guò)手機(jī)實(shí)現(xiàn)，可以動(dòng)態(tài)改變聲音信號(hào)，然后將音頻信號(hào)通過(guò)功率放大器放大后加到揚(yáng)聲器上，揚(yáng)聲器使密閉有機(jī)玻璃管中的泡沫顆粒振動(dòng)就可直觀地觀察到聲駐波現(xiàn)象。新設(shè)計(jì)的聲駐波演示裝置成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作材料易得，加之儀器外形美觀，很有創(chuàng)意，更能吸引學(xué)生的注意力，使學(xué)生對(duì)駐波是如何形成的理解起來(lái)更加容易。同時(shí)該儀器還能增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的趣味性和直觀性，從而培養(yǎng)學(xué)生對(duì)科學(xué)的研究興趣，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新精神。

1 聲駐波演示裝置的工作原理

2個(gè)周期為T(mén)，波長(zhǎng)為λ，振幅為A的簡(jiǎn)諧波沿著x軸向相反方向傳播。

沿x軸正方向傳播的波稱(chēng)為右行波，波動(dòng)方程為

y1=Acos2π(t/T-x/λ)

(1)

沿x軸負(fù)方向傳播的波稱(chēng)為左行波，波動(dòng)方程為

y2=Acos2π(t/T+x/λ)

(2)

合成后的駐波方程為式為

y=y1+y2=2Acos2π(x/λ)cos2π(t/T)

(3)

可見(jiàn)，合成后的波上的任何一點(diǎn)都在做同一周期的簡(jiǎn)諧振動(dòng)[3-5]。

2 聲駐波演示裝置的結(jié)構(gòu)

聲駐波演示裝置如圖1所示，將一圓形有機(jī)玻璃管粘接在兩個(gè)有機(jī)玻璃板支架上，右邊支撐板與有機(jī)玻璃管密封粘接，左邊支架套接在有機(jī)玻璃管外面并用亞克力膠水粘好。揚(yáng)聲器的喇叭直徑大小要和有機(jī)玻璃管直徑大小配套購(gòu)買(mǎi)。本裝置購(gòu)買(mǎi)的有機(jī)玻璃管的外徑為125 mm，壁厚5 mm，長(zhǎng)800 mm。喇叭尺寸為6.5寸，功率80 W，阻抗4 Ω，該喇叭的喇叭內(nèi)口剛好可以套在125 mm的有機(jī)玻璃管外徑上。在安裝喇叭之前將適量的球形小泡沫顆粒裝于有機(jī)玻璃管中，然后將喇叭用螺絲固定在左邊支架上，保證喇叭和有機(jī)玻璃管連接起來(lái)后形成一個(gè)密閉的空腔不漏氣。音頻信號(hào)通過(guò)手機(jī)下載信號(hào)管理器App獲得，該裝置通過(guò)手機(jī)App上的信號(hào)發(fā)生器軟件提供音頻信號(hào)。音頻信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大器將信號(hào)放大后加在揚(yáng)聲器上，揚(yáng)聲器使有機(jī)玻璃管中的空氣振動(dòng)進(jìn)而使管中的泡沫顆粒振動(dòng)。為了能觀察到比較明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象本裝置選用12 V，100 W大功率數(shù)字功放車(chē)載低音炮功放，功放由可調(diào)直流電源供電。演示裝置通過(guò)揚(yáng)聲器讓聲波在有機(jī)玻璃管中傳播，當(dāng)聲波傳到機(jī)玻璃管閉口的另外一端時(shí)發(fā)生反射，于是入射波和反射波在有機(jī)玻璃管中疊加形成駐波，在駐波的作用下有機(jī)玻璃管中的泡沫顆粒重新排布，模擬出駐波的波性特征，這樣在管子外面就能直觀地看到聲駐波這一抽象的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

圖1 改進(jìn)后的聲駐波演示裝置

3 聲駐波演示裝置的優(yōu)點(diǎn)

如圖2所示是某種聲波的波形演示效果照片。

圖2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

該裝置的優(yōu)點(diǎn)在于：一是演示裝置用有機(jī)玻璃管和亞克力板制作，二者可用亞克力膠水粘接而成制作起來(lái)容易，加之管子直徑較大且透明便于觀察，由于管子完全密封管內(nèi)泡沫振動(dòng)不受外界影響，排除了外部干擾；二是通過(guò)手機(jī)App下載信號(hào)發(fā)生器供演示裝置使用就不需要外部信號(hào)發(fā)生器硬件，成本低。演示時(shí)通過(guò)手機(jī)就可以非常方便地調(diào)節(jié)信號(hào)的頻率和大小，操控起來(lái)非常方便，如果功放信號(hào)采用藍(lán)牙接收器接受還可通過(guò)手機(jī)無(wú)線控制，這樣使儀器的操作非常精確和簡(jiǎn)單。學(xué)生也能用自己的手機(jī)下載信號(hào)管理器App或播放一首歌曲利用該裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察歌曲播放時(shí)什么時(shí)候泡沫顆粒振動(dòng)強(qiáng)，什么時(shí)候振動(dòng)弱，加強(qiáng)了師生之間的互動(dòng)，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性；三是實(shí)驗(yàn)裝置的制作材料獲得容易儀器制作成本低，加工制作簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，便于學(xué)生觀察，這樣更有助于學(xué)生對(duì)聲駐波的理解。

5 結(jié) 語(yǔ)

物理是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)對(duì)于物理教學(xué)來(lái)說(shuō)是最基本、最重要的教學(xué)方法和手段。同樣物理作為一門(mén)源于生活的學(xué)科，它與的生活息息相關(guān)，抽象復(fù)雜的物理現(xiàn)象可能會(huì)使對(duì)于物理學(xué)科的學(xué)習(xí)產(chǎn)生畏難情緒，所以對(duì)于創(chuàng)新人才需求量越來(lái)越大的今天，為了培養(yǎng)創(chuàng)新人才在物理教學(xué)過(guò)程中老師多設(shè)計(jì)制作一些創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教具用于物理教學(xué)，不但可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣還能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。改進(jìn)后的聲駐波演示能夠很好地實(shí)現(xiàn)上述目的，該教具不但新穎而且實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，操作簡(jiǎn)便，還可讓學(xué)生參與其中這樣可大大激發(fā)學(xué)生的興趣。利用該教具可以把抽象的物理現(xiàn)象直觀地展示在學(xué)生面前也能很好地突破教學(xué)重難點(diǎn)，提高教學(xué)效果。