巧用示波器做音叉共鳴實驗

巧用示波器做音叉共鳴實驗

特古斯

(通遼職業學院內蒙古 通遼 028000)

收稿日期：(2014-06-25)

示波器是一種用途十分廣泛的電子測量儀器，它可以直接觀察電信號的波形，測量電壓的幅度、周期、頻率等參數.在實際應用中凡是能轉化為電壓信號的電學量和非電學量如壓力、溫度、磁感應強度、光強等都可以用示波器來觀測.共振是一種常見的自然現象,聲音的共振通常叫做共鳴.為了讓學生進一步加深對共鳴知識的理解和掌握，筆者在物理教學中增設了利用示波器觀察共鳴現象的探究型實驗供學生使用，取得了良好的教學效果.

1準備材料

2458型示波器，HTD20A-1型壓電陶瓷片，音叉(440 Hz的2支，523.2 Hz的1支，493.9 Hz的1支)，共鳴箱一個，橡皮槌，鱷魚夾導線一對.

2實驗原理

實驗裝置如圖1所示，圖中HTD20A-1型壓電陶瓷片，其內部結構如圖2所示.它的中間是鋯鈦酸鉛(PZT)晶體，晶體的一面粘在黃銅片上，另一面涂上導電材料，當晶體受到機械壓力作用時，在它的兩面就會產生電勢差，這樣就把壓力信號轉變成電壓信號，即壓電效應.用電烙鐵在壓電陶瓷片的導電層和黃銅片上分別焊接長度為30 cm的兩條絕緣軟導線，在壓電陶瓷片黃銅片上粘雙面膠，然后將壓電陶瓷片粘在440 Hz音叉叉股底部，之所以不是粘在其他任意位置，是因為音叉叉股處的壓電陶瓷片對音叉固有頻率的影響很小.當音叉發生共鳴時，壓電陶瓷片將音叉的聲信號轉換成電壓信號輸送到示波器，最終在示波器的熒光屏上顯示出表示聲音共鳴的簡諧振動波形.

圖1　實驗裝置

①音叉A； ②共鳴箱； ③壓電陶瓷片； ④音叉B ；⑤示波器；

⑥壓電陶瓷片引出線；⑦音叉槌

圖2　壓電陶瓷片

①黃銅片； ②壓電陶瓷銀層； ③壓電陶瓷片引線

3實驗步驟

(1)開啟示波器電源開關,調節示波器各旋鈕位置.

(2)把“Y軸衰減”旋鈕調到1擋，“掃描范圍”旋鈕調到100擋.

(3)“Y增益”調到最大.

(4)將440 Hz音叉上壓電陶瓷片兩條電極引線分別與示波器的“Y輸入”和“地”兩個接線柱相連接.

(5)用手拿著440 Hz音叉B的根部,用力敲響音叉B,將振動著的音叉B靠近音叉A共鳴箱的開口處時，示波器熒光屏上出現簡諧振動波形,用手按住音叉A的叉股,波形立刻消失,再用力敲響音叉B靠近音叉A的共鳴箱開口處,波形又出現，當把振動的音叉B遠離共鳴箱開口處時，熒光屏上的簡諧振動波形仍然顯示著，而且這一顯示的波形延續幾十秒才能消失，其原因是：共鳴箱中的空氣柱在音叉B產生的連續正弦聲壓的振動作用下，發生了受迫振動，當音叉B振動頻率恰好與空氣柱的固有振動頻率重合時發生了共振，又因為空氣柱和音叉A的固有頻率相同，或其中一個是另一個作為聲源的固有頻率的整數倍，故最終音叉A與音叉B發生了共鳴現象.

(6)再取幾個固有頻率與音叉A不相同的音叉C(329.6 Hz)、D(523.2 Hz)，同樣用手拿音叉C或D的根部,用力敲響音叉C或D,將振動著的音叉C或D靠近音叉A共鳴箱的開口處時，示波器熒光屏上顯示的是一條直線，而并沒有顯示簡諧振動波形,故最終音叉A和音叉C或D沒有發生共鳴現象.

此裝置，操作簡單、現象生動、富有想象力、效果明顯，對于培養學生善于使用示波器探究物理知識的能力很有幫助.