直投式發(fā)波水槽的先進(jìn)性和實(shí)用性

教學(xué)儀器是完成教學(xué)任務(wù)的重要工具，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必備物質(zhì)條件。教學(xué)任務(wù)能否出色完成，實(shí)驗(yàn)教學(xué)能否正常進(jìn)行，在很大程度上取決于教學(xué)儀器的完善程度。發(fā)波水槽是輔助完成高中物理中有關(guān)“波”的物理理論教學(xué)任務(wù)的重要教學(xué)儀器。它的功能特點(diǎn)的優(yōu)劣，對(duì)波的教學(xué)起著至關(guān)重要的作用。就目前情況看，各種發(fā)波水槽相比較，直投式發(fā)波水槽（圖1）在高中波的教學(xué)中最具先進(jìn)性和實(shí)用性。

波的教學(xué)與發(fā)波水槽

人類生活的世界是一個(gè)波動(dòng)的世界，是一個(gè)充滿波的空間；由于波的客觀存在，使這個(gè)多彩的世界更加活躍，更加充滿生機(jī)。正是由于波的神奇作用，科學(xué)家一直對(duì)它進(jìn)行堅(jiān)持不懈的研究與利用；教育家也將有關(guān)波的理論編入高中物理課本，作為對(duì)青少年進(jìn)行教育和培養(yǎng)的重要內(nèi)容之一。新課標(biāo)人教版高中物理以“機(jī)械波”為題，分別敘述了波的形成和傳播，波的圖像，波長(zhǎng)、頻率和波速，波的反射和折射，波的衍射，波的干涉，多普勒效應(yīng)等內(nèi)容。

根據(jù)課文的敘述，波是振動(dòng)在介質(zhì)中的傳播過程，是振動(dòng)形式的傳播。在日常生活中，隨時(shí)都會(huì)遇到各種各樣的波。然而這些隨處可遇的波，都是看不見摸不著的概念。雖然波是一種運(yùn)動(dòng)的形式，是一種傳遞的方式，但卻是一種非常抽象的概念，又是一種非常尖端、非常成熟、非常精到的物理理論。要把這種抽象的理論傳輸給青少年，就必須借助一定的教學(xué)工具，通過一系列的實(shí)驗(yàn)才能完成。在教學(xué)過程中，人們?cè)?jīng)研制出多種發(fā)波水槽來輔助教學(xué)，用來完成對(duì)波的物理理論內(nèi)容的教育與傳輸。

所謂發(fā)波水槽就是一種能夠輔助完成“波”的物理理論教學(xué)的教學(xué)儀器。它的功能是能把“波”這種非常抽象的概念形象化，把看不見摸不著的東西變成有影有形的圖像。它的作用是能將自然界和現(xiàn)實(shí)生活中的各種“波”縮微再現(xiàn)在儀器之上，在課堂之中，讓形象說話，用事實(shí)敘理；并且通過演示，把波的形成、傳播、頻率、波速、反射、折射、衍射等現(xiàn)象與特性給出科學(xué)形象的解說。因此在教學(xué)中，發(fā)波水槽已經(jīng)成為“波”的物理理論教學(xué)不可或缺的儀器設(shè)備。

發(fā)波水槽的進(jìn)步與發(fā)展

發(fā)波水槽的發(fā)明問世已經(jīng)有幾十年的時(shí)間。幾十年來，它從簡(jiǎn)單走向復(fù)雜，從片面走向全面，從原始走向科學(xué)，從單一品種走向多品種，不斷地發(fā)展完善。其中使用得比較普遍、時(shí)間比較長(zhǎng)久的儀器有手動(dòng)式發(fā)波水、電磁式發(fā)波水槽和氣動(dòng)式發(fā)波水槽等。

手動(dòng)式發(fā)波水槽是一種比較原始的教學(xué)儀器。它采用手敲擊簧片作為振源的原理，來演示波的各種狀況。雖然這種儀器能夠?qū)⒊橄蟮母拍钚蜗蠡善駝?dòng)的時(shí)間比較短，頻率不穩(wěn)定，圖像也不清晰，很難滿足教學(xué)上的要求。特別是還有許多波的理論無法演示。

電磁式（也稱機(jī)械式）發(fā)波水槽比手動(dòng)式發(fā)波水槽先進(jìn)。它利用電磁鐵的原理，對(duì)波的各種狀況進(jìn)行演示。在演示的過程中，由于是機(jī)械振動(dòng)，所以振動(dòng)的時(shí)間比較長(zhǎng)，頻率也比較穩(wěn)定。但這種儀器所演示的圖像移動(dòng)比較迅速，很難一下子看清波的傳播過程；雖然在教學(xué)效果上有長(zhǎng)足的進(jìn)步，但還是不能完全滿足教學(xué)的基本要求。

氣動(dòng)式（也稱背投式）發(fā)波水槽是較之上述兩種發(fā)波水槽都有明顯的進(jìn)步。它利用水泡成波的原理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示，主要特點(diǎn)是：帶有頻閃光源，振動(dòng)的頻率可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)，而且所演示出來的圖像比較清晰、穩(wěn)定。但由于這種儀器的振源是水泡，所以它又具有極大的局限性，諸如平行波、反射波等一系列的實(shí)驗(yàn)就無法進(jìn)行與完成。

為了便于比較，用表格的形式把幾種老式發(fā)波水槽進(jìn)行排列，見表1。從表1的對(duì)比中可以清楚地看到，發(fā)波水槽在教學(xué)實(shí)踐中不斷地革新、進(jìn)步、發(fā)展，不斷地?fù)P長(zhǎng)去短，不斷地完善，逐漸向教學(xué)的實(shí)際需要靠近。三種發(fā)波水槽雖然都能完成“波”這個(gè)抽象概念的形象化，但它們都有極大的局限性，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程中還不能演示所有的實(shí)驗(yàn)；能演示的實(shí)驗(yàn)還存在著圖像欠清晰，頻率欠穩(wěn)定，振動(dòng)時(shí)間受限制等缺陷。

直投式發(fā)波水槽的特點(diǎn)與功能

直投式發(fā)波水槽在現(xiàn)代科技發(fā)達(dá)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用光源的遮光次數(shù)與振動(dòng)頻率關(guān)系的原理，整合光學(xué)、電學(xué)、機(jī)械等技術(shù)，完全克服了上述發(fā)波水槽的局限性，徹底完善了發(fā)波水槽的功能與性能。

直投式發(fā)波水槽特點(diǎn)：

1）不用投影儀和銀幕，可以直接將圖像十分清晰地投射在該儀器的屏幕上。

2）儀器帶有同步頻閃可調(diào)的光源及振動(dòng)頻率可調(diào)的振源，當(dāng)光源頻閃次數(shù)與振動(dòng)頻率相同時(shí)（頻閃與振動(dòng)頻率同步），儀器屏幕上的圖像處于靜止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)便于教師講授波形的特點(diǎn)；當(dāng)光源頻閃次數(shù)與振動(dòng)頻率不相同時(shí)（頻閃與振動(dòng)頻率不同步），儀器屏幕上的圖像處于移動(dòng)狀態(tài)，便于學(xué)生觀察波形的傳遞過程。頻閃，即可使圖像出現(xiàn)靜止?fàn)顟B(tài)或任意速度的波形傳遞過程。

3）儀器配有強(qiáng)大而均勻的波源，能清晰演示各種難以看清的圖像，如雙縫干涉波、衍射波等。

4）操作方便。由于對(duì)儀器上振子的重量和振桿的長(zhǎng)度作過統(tǒng)一處理，在做實(shí)驗(yàn)的過程時(shí)，只要調(diào)換各種振子，就不再需要重新調(diào)節(jié)振動(dòng)的頻率和頻幅，既方便了實(shí)驗(yàn)操作，又節(jié)省了實(shí)驗(yàn)時(shí)間。

直投式發(fā)波水槽的實(shí)驗(yàn)功能相當(dāng)齊全，它能夠完成高中物理課程中有關(guān)“波”的理論教學(xué)的所有實(shí)驗(yàn)。

1）可以完成圓形波的演示。將單振子固定在承接塊上，打開電源開關(guān)，溴鎢燈亮，遮光葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，振桿彈動(dòng)，屏幕上即顯示圖像，為圓形波。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要調(diào)節(jié)振頻旋扭，當(dāng)振動(dòng)次數(shù)與光源頻閃次數(shù)一致時(shí)，水波在屏幕上的圖像處在靜止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)振動(dòng)次數(shù)大于頻閃時(shí)，水波在屏幕上的圖像是擴(kuò)散狀態(tài)；當(dāng)振動(dòng)次數(shù)小于頻閃次數(shù)時(shí)，水波提影圖像為收縮狀態(tài)。如水波投影圖像不清晰時(shí)可慢慢調(diào)節(jié)振幅螺絲，直至清晰。

2）可以完成平面波的演示。將平面振子固定好，按前述方法調(diào)整，使振子的平面與水平平行。相交處要充分潤濕，否則影像將略有彎曲。

3）可以完成雙縫干涉波的演示。在平面波前約30 mm處，呈一字形放置三塊擋板，其縫隙約等于波長(zhǎng)。當(dāng)平面波經(jīng)過雙縫時(shí)，就可見雙縫干涉影像。

4）可以完成雙振子干涉波的演示。將雙振子固定好，按前述方法調(diào)整，可看到明顯的干涉波影像。

5）可以完成波的反射的演示。在平面波45度斜放直擋板，即可看到平面反射波的影像。

6）可以完成波的折射的演示。在平面波前約10 mm處放置一個(gè)直角透明的三角玻璃板，直角邊垂直平面波。放掉一部分水，使玻璃板上水深約1 mm～2 mm，就可見到波的折射的影像。如果效果不明顯，可再放掉些水或降低振頻。

7）可以完成波的衍射的演示。按上述方法調(diào)整好圓形波后，將2塊擋板一字形放在離振中心約20 mm處，二處擋板縫隙距離接近波長(zhǎng)，然后調(diào)整擋板間隙距離，則可見到不同的衍射影像。

8）可以完成惠更斯效應(yīng)的演示。將一個(gè)開有3個(gè)缺口的圓筒放入槽中，缺口向下，使圓波振子處于圓筒之中，自中心向外擴(kuò)展的圓波在筒壁處被擋住，僅在出口處繼續(xù)傳播。每個(gè)缺口相當(dāng)于一個(gè)新波源，在筒的周圍就形成新波面。

9）可以完成多普勒效應(yīng)的演示。將振源盒從框架取下用手拿著，振桿卡口內(nèi)固定圓波振子，端部浸入水中，使其朝水槽左壁慢慢移動(dòng)，則可看到從中心到左壁波紋變密，波長(zhǎng)變小，頻率變大；從中心到右壁波紋變疏，波長(zhǎng)變大，頻率變小。

直投式發(fā)波水槽不但可以完成以上9大主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，還可以根據(jù)教學(xué)需要，自制各種擋板，把水盤作為平臺(tái)，完成與之相關(guān)的各種附屬實(shí)驗(yàn)及教學(xué)中所需的各種圖像。此外，還可以完成大學(xué)物理中的許多有關(guān)波理論的實(shí)驗(yàn)。

從直投式發(fā)波水槽所展示的特點(diǎn)來看，它比以往發(fā)波水槽都有一個(gè)跨越性的進(jìn)步，它所運(yùn)用的工作原理，所采用的制造技術(shù)，所顯示的實(shí)驗(yàn)效果等都是相當(dāng)先進(jìn)的。總之，直投式發(fā)波水槽是“波”的物理理論教學(xué)中非常實(shí)用、不可或缺的教學(xué)儀器。

（作者單位：浙江省瑞安市教學(xué)儀器廠）