楊冰 陳楊 劉金甫 代珍兵

摘 ? 要：在高中物理“波的干涉”教學(xué)中，常常采用生活中的水波進(jìn)行直觀演示，但傳統(tǒng)水波干涉演示儀現(xiàn)象不夠清晰且不易帶入課堂。為便于教師課堂教學(xué)演示，利用揚(yáng)聲器、功放等生活中常見的材料制作水波干涉演示儀，配合手機(jī)頻閃軟件使實(shí)驗(yàn)圖像變得更加清晰，制作方法簡單且演示效果好，對(duì)于物理教學(xué)或者科普展示都有一定的推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：水波干涉;頻閃;拓展;物理教學(xué);演示儀

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：1003-6148（2022）2-0045-3

“水波的干涉”是“波的干涉”一節(jié)中的重要實(shí)驗(yàn)，新課改后，機(jī)械振動(dòng)、機(jī)械波由原來的選學(xué)內(nèi)容變?yōu)榱诉x擇性必修內(nèi)容[1]，2019年版人教版高中物理教材將這一部分內(nèi)容放在了選擇性必修第一冊(cè)的第三章中，可見其重要性在增加。水波在生活中比較常見，比如在平靜的水面上落下的雨滴可以激起漣漪。用水波作為演示對(duì)象，學(xué)生們更熟悉，也更易接受?，F(xiàn)行教材多使用50 cm×50 cm的水波槽，通過固定在同一個(gè)振動(dòng)片上的兩根細(xì)桿觸動(dòng)水面，在天花板上投影水波的方法演示，但常常存在演示圖像不穩(wěn)定、不清晰且不易帶入課堂等問題[2]。為使演示現(xiàn)象更加清晰，本文利用生活中一些易得的材料配合手機(jī)頻閃軟件，自制了一臺(tái)可用于水波干涉演示的儀器，得到更加清晰、穩(wěn)定的水波干涉現(xiàn)象。

1 ? ?設(shè)計(jì)思路

為了適應(yīng)高中課程“機(jī)械波”章節(jié)新課教學(xué)的課堂演示，需要相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行輔助講解，實(shí)驗(yàn)儀器要實(shí)現(xiàn)以下幾種功能：（1）方便攜帶，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行觀察;（2）結(jié)構(gòu)清晰明了，學(xué)生更易結(jié)合所學(xué)知識(shí)進(jìn)行理解，達(dá)到理論與實(shí)踐相結(jié)合的效果;（3）多功能性，儀器通過更換不同配件就可演示不同實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，做到一物多用;（4）數(shù)字化調(diào)控和顯示，參量調(diào)節(jié)精準(zhǔn)迅速，定性演示與定量分析相結(jié)合，有理有據(jù)，讓學(xué)生以更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度看待實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

為達(dá)到以上要求，我們?cè)谥悄苁謾C(jī)上安裝一些物理實(shí)驗(yàn)軟件，如“匯中頻閃手電”可提供頻閃光源，“phyphox”可提供實(shí)驗(yàn)所需的正弦信號(hào)，也可以使用數(shù)字式簡易信號(hào)發(fā)生器，成本較低。振源采用電磁激勵(lì)方法，具有數(shù)字化、可控性強(qiáng)、不易損壞等優(yōu)點(diǎn)，生活中易得的揚(yáng)聲器為最佳選擇，利用功放板將信號(hào)放大后即可通過揚(yáng)聲器輸出為我們所需的振動(dòng)。電路部分作為控制單元分離，便于攜帶，且演示時(shí)學(xué)生更易理解裝置結(jié)構(gòu)和原理。

2 ? ?儀器的設(shè)計(jì)及制作

2.1 ? ?控制單元設(shè)計(jì)

控制單元為揚(yáng)聲器提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)，主要由簡易信號(hào)發(fā)生器、功放板和工作電源組成。設(shè)計(jì)了一個(gè)雙刀雙擲開關(guān)，可選擇信號(hào)由簡易信號(hào)發(fā)生器或手機(jī)提供。功放板對(duì)信號(hào)放大后即可作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)，在輸出端安裝一個(gè)3.5 mm音頻插頭，并在演示裝置上安裝對(duì)應(yīng)插孔，連接與分離都非常便捷。為實(shí)現(xiàn)多功能性，控制單元設(shè)計(jì)了兩路輸出，兩套元件參數(shù)相同，即可實(shí)現(xiàn)同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)振源工作并單獨(dú)控制，可用于機(jī)械振動(dòng)合成等實(shí)驗(yàn)演示。面板上元件排布如圖1所示。

2.2 ? ?演示裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求設(shè)計(jì)的演示裝置，主體使用亞克力板制成，內(nèi)含兩個(gè)20 W的揚(yáng)聲器作為振源，整體結(jié)構(gòu)示意如圖2（a）所示。制作時(shí)我們將兩端帶內(nèi)螺紋的金屬桿固定于瓶蓋中心，用銼刀打磨切口使其與揚(yáng)聲器紙盆底部吻合，用AB膠固定在揚(yáng)聲器紙盆上，振動(dòng)器在某一頻率的正弦信號(hào)的激勵(lì)下產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，揚(yáng)聲器紙盆在音圈帶動(dòng)下將做與激勵(lì)信號(hào)頻率相同的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，通過瓶蓋與紙盆相連的金屬桿也隨之做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，即做成振動(dòng)桿[3]?？紤]到前人利用此方法制作的振動(dòng)桿在實(shí)驗(yàn)過程中容易產(chǎn)生偏移，從而使振動(dòng)方向發(fā)生改變。此裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用直線軸承限位的方法，在保證限位效果的情況下盡可能減少了阻力。

通過在振動(dòng)桿上更換不同實(shí)驗(yàn)配件，可演示多個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。裝置實(shí)物圖如圖2（b）所示。

使用亞克力板制作一個(gè)30 cm×30 cm的透明水槽，用四個(gè)支腳撐起，使之與演示儀等高。利用鋁片制作起波裝置，將鋁片剪成叉狀，因?yàn)槟z管與水面接觸比鋁片更充分，在鋁片接觸水面一端套上膠管，另一端打孔即可固定于豎直方向振源上，如圖3所示。

3 ? ?水波干涉演示

實(shí)驗(yàn)時(shí)往水槽內(nèi)放適量清水，水面與膠管觸頭剛剛接觸為好，起波器擺動(dòng)頻率與振動(dòng)桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻率相同，波源頻率變得可控。打開手機(jī)中的“phyphox”軟件，使用音頻發(fā)生器將頻率預(yù)設(shè)為50 Hz，軟件界面如圖4（a）所示，在水槽正上方20 cm處放置一智能手機(jī)，利用手機(jī)閃光燈作為光源，打開頻閃軟件設(shè)置頻閃間隔時(shí)間為0.01 s，調(diào)節(jié)界面如圖4（b）所示。

由于兩個(gè)頻率相匹配，人眼的視覺暫留效果導(dǎo)致肉眼觀察到圖形靜止[4]，給學(xué)生一定的視覺震撼。當(dāng)振動(dòng)頻率略高于頻閃燈頻率時(shí)，可“慢動(dòng)作”觀察到波的傳播、相遇、疊加，但干涉區(qū)域始終穩(wěn)定不變，可通過觀察亮暗不同的區(qū)域判斷波的疊加情況[5]，較亮區(qū)域與干涉相長區(qū)對(duì)應(yīng)，較暗區(qū)域與干涉相消區(qū)對(duì)應(yīng)。通過此即可驗(yàn)證水波疊加后發(fā)生了干涉?，F(xiàn)場(chǎng)演示效果較好，學(xué)生反應(yīng)熱烈，極大地提高了學(xué)習(xí)興趣。

圖5為振動(dòng)頻率為50 Hz時(shí)拍攝的水波干涉實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，現(xiàn)象明顯直觀。在水槽中部放置一塊開有兩條豎直狹縫的亞克力擋板，水波經(jīng)過擋板的狹縫時(shí)發(fā)生了衍射現(xiàn)象，可觀察到兩狹縫形成的新波源即次波，次波疊加后發(fā)生了干涉（圖5左）。同樣，圖5右圖展現(xiàn)了兩個(gè)相干波源振動(dòng)疊加形成的干涉現(xiàn)象，可模擬高中物理教材中的經(jīng)典水波干涉實(shí)驗(yàn)。

4 ? ?結(jié) ?論

自制水波干涉儀有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯。利用頻閃燈的方法，使運(yùn)動(dòng)的波變慢，更利于學(xué)生觀察。（2）裝置可攜帶性高。儀器將控制單元與演示裝置分離，體積小，配件可根據(jù)需求進(jìn)行搭配，課堂演示或移動(dòng)都更加方便。（3）功能多樣化。筆者主要敘述了水波干涉部分的演示現(xiàn)象，李薩如圖形、克拉尼圖形、液體表面駐波、環(huán)形駐波、彈簧縱駐波、受迫振動(dòng)、水流駐波與行波等實(shí)驗(yàn)，通過更換不同配件也能觀察到清晰的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，可供學(xué)有余力的學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。（4）數(shù)字化調(diào)控與顯示。激勵(lì)信號(hào)的頻率可通過精準(zhǔn)調(diào)控，提高實(shí)驗(yàn)演示的穩(wěn)定性。

該自制儀器具有低成本、多功能、效果好等優(yōu)勢(shì)，可作為教具在課堂教學(xué)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)演示，或作為科普儀器豐富學(xué)生的課余生活。經(jīng)過實(shí)踐，裝置不僅能夠?qū)⒊橄蟮闹R(shí)變得更加形象，而且可以幫助教師調(diào)節(jié)課堂氣氛，很受師生歡迎。

該裝置所獲成果：第十二屆北京市大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競賽三等獎(jiǎng);第二屆四川師范大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)競賽二等獎(jiǎng);2021屆四川師范大學(xué)優(yōu)秀本科畢業(yè)設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

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[4]蔣麗艷.視覺暫留的奇特現(xiàn)象[J].物理教學(xué)，2013，35（11）：29-30+28.

[5]沈平，嚴(yán)雋儀.水波干涉演示實(shí)驗(yàn)投影紋的光學(xué)分析[J]. 物理通報(bào)，1998（07）：12-13.

（欄目編輯 ? ?劉 ? 榮）

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