王富民

山東省濟寧市實驗中學(272023)

1 重現(xiàn)實驗,發(fā)現(xiàn)問題

人民教育出版社普通高中物理教科書選擇性必修第一冊第三章“機械波”第4節(jié)“波的干涉”中有2個必做的演示實驗:觀察波的疊加現(xiàn)象和觀察水波的干涉[1]。

(1)觀察波的疊加現(xiàn)象

在兩個學生用長繩子演示了波的疊加現(xiàn)象之后,學生認識到兩列波彼此相遇并穿過后波的形狀和相遇前一樣,傳播的情形也和相遇前一樣,生活中常見的水波也是如此。在兩列波重疊的區(qū)域里,介質(zhì)的質(zhì)點同時參與這兩列波引起的振動,質(zhì)點的位移等于這兩列波單獨傳播時引起的位移的矢量和。學生在觀察長繩子傳播波時兩列波重疊的區(qū)域質(zhì)點的位移變化太快,只感覺有所加強,不容易得出“質(zhì)點的位移等于這兩列波單獨傳播時引起的位移的矢量和”的結(jié)論,有必要在觀察水波的干涉時加以驗證。

(2)觀察水波的干涉

這個實驗對學生來說非常重要,學生有了感性認識才能上升到理性認識,有了仔細的觀察才會有深入的研究。

做好這兩個實驗是課堂成功的關鍵,這兩個實驗不但能讓學生通過感官認識振動在介質(zhì)中傳播的現(xiàn)象,增強學生的感性認識,還能讓學生在觀察水波的干涉實驗時體驗到:用科學的方法將物體的振動進行轉(zhuǎn)換,使兩個振源同相位,將振源的特征(相干波)表現(xiàn)出來,以利于學生觀察,從而認清事物的本質(zhì),總結(jié)出規(guī)律性的東西,這也是對學生進行科學方法教育的啟蒙。

教師在演示觀察水波的干涉實驗時,如果不使用投影設備就會影響觀察效果。要使學生有“身臨其境”的感覺,可以通過指導學生做一個“水波的干涉演示器”,授人以魚不如授人以漁。讓學生做一個學具,培養(yǎng)學生動手動腦的能力,提高學生解決問題的能力,發(fā)展學生的核心素養(yǎng)。

2 制作器材與方法

2.1 主要器材

微型振動直流電動機(電壓1.5～3.7 V),1節(jié)1號干電池,廢舊鋼鋸條長25 cm,廢舊自行車輻條18 cm;4個自攻螺釘:2個圓頭、2個平頭;長度10 cm、寬度8 cm、厚度1 cm的木板1塊,長度8 cm、寬度3 cm,厚度1 cm的木條1根,竹筷子截取8 cm,600 W/220 V電爐絲截取1/5,鱷魚夾1個,導線若干;工具有:電烙鐵、尖嘴鉗、熱熔膠、熱熔膠槍、美工刀。

2.2 制作方法

將廢舊自行車輻條折成門字形,橫梁長度10 cm,門邊框長度4 cm,在門字形的兩個短邊框上用熱熔膠各粘結(jié)1個圓頭自攻螺釘作振源,取平頭自攻螺釘將廢舊鋼鋸條一端用木條壓在木板邊緣上,用熱熔膠將廢舊自行車輻條折成的門字形橫梁粘結(jié)在廢舊鋼鋸條的另一端(使兩個邊框與鋼鋸條對稱),成“耙子”形狀[2-3];用熱熔膠將微型振動直流電動機粘結(jié)在靠近“耙子”頭的廢舊鋼鋸條上;將電爐絲繞在竹筷子上與微型振動直流電動機串聯(lián),一段導線與鱷魚夾相連,導線焊接在干電池的正極上,干電池的負極連接微型振動直流電動機。

3 電路連接與調(diào)節(jié)

制作好的波的干涉演示器如圖1所示。

圖1 演示器實物圖

3.1 電路連接

電路連接圖如圖2所示。

圖2 簡單易做的波的干涉演示器電路連接圖

按電路圖連接好各元件，鱷魚夾夾在繞電爐絲的竹筷子上即接通了電源，移動鱷魚夾夾持的位置可以調(diào)節(jié)電爐絲接入電路中的長度，從而改變電動機的轉(zhuǎn)速，即改變振源的振動頻率；電路接通時，微型振動直流電動機的振動頻率遠大于電路斷開時整個裝置的固有頻率，所以，電路接通時，整個裝置的振動是受迫振動，實驗發(fā)現(xiàn)微型振動直流電動機靠近“耙子”頭時的振動效果較好。

圖3 演示器實驗效果圖

3.2 使用說明及效果

1節(jié)新的1號干電池內(nèi)阻較小，短路電流較大，近3 A。使用1節(jié)新的1號干電池，然后用調(diào)節(jié)電爐絲長度來改變微型振動直流電動機轉(zhuǎn)速的效果明顯。1號干電池使用時間長了，其電壓會降低，此時，用在電爐絲上移動鱷魚夾來改變振動頻率的方法的調(diào)節(jié)范圍變窄，1號干電池電壓再降低時，微型振動直流電動機就不容易啟動，需要更換電池。使用完畢后應及時切斷電源。使用“簡單易做的波的干涉演示器”完成水波的干涉實驗時，要在水盆里注入滿盆的80%的水，可以用手握住演示器，也可以用廢紙盒墊住演示器，并用重物壓持牢固，然后用鱷魚夾接通電源，觀察實驗現(xiàn)象。

4 制作小結(jié)

“簡單易做的波的干涉演示器”的制作材料廉價、易得,用其進行實驗,便于學生操作及近距離觀察。自制“簡單易做的波的干涉演示器”可作為學具使用,也可以作為教具使用。