橫波縱波波動演示儀

杜 倩,代 偉,蔣金華，王 漫

(西華師范大學 物理與空間科學學院,四川 南充 637002)

在高中物理機械波學習中，波的形成和傳播是課堂教學中的重點和難點，在教學中做好課堂演示實驗可讓學生直觀感受波的形成與傳播. 為了讓學生更加直觀地觀察橫波和縱波的產生以及傳播情況，自制了橫波縱波波動演示儀. 演示儀利用曲柄滑塊機構將電機的旋轉運動轉變成直線往復運動，以此帶動橡皮筋和圓柱形彈簧振動得到橫駐波與縱駐波. 演示儀原理清晰，結構簡單，操作方便，用于波動課堂教學演示能激發學生的好奇心和求知欲.

1 教材中手搖式波動演示儀器的不足

文獻[1]對波的形成與傳播的實驗探究中，提供的實驗演示裝置如圖1～2所示，該儀器具體操作方法是：握住手柄逆時針轉動，直至所有振子排列均勻并整體振動時，即可順時針旋轉手柄，不斷轉動就會形成橫波和縱波，橫波一側面對學生，學生便會觀察到橫波，縱波一側面對學生，學生便會觀察到縱波.

圖1 橫波演示器

圖2 縱波演示器

手搖式橫波、縱波演示儀器在課堂教學中存在一定不足：1)傳統的手搖式波動演示器上的各質點是獨立的，給學生建立的是不完整的物理模型；2)橫波、縱波演示儀器只能分開進行演示，不能在同一個裝置上同時展示出橫波與縱波的形成與傳播，教學演示時還需要2個裝置；3)操作復雜繁瑣，先要逆時針使所有振子排列均勻并整體振動時才能順時針旋轉觀察波的情況.

2 自制波動演示儀

自制橫波縱波波動演示裝置如圖3所示. 裝置由木板、橡皮筋、圓柱形螺旋彈簧、直流調速電動機、曲柄滑塊機構(結構如圖4所示)、可調直流以及數字電壓表等組成. 為了更好地測量出橫波和縱波的波長，在橫軸和縱軸木板上貼噴繪刻度尺. 演示橫波時通過振子上下往復運動帶動水平方向的橡皮筋上下振動，此時振動方向與波的傳播方向垂直，調節橡皮筋的松緊和電機的轉速，當調到某一值時便可在水平方向觀察到橫駐波，改變橡皮筋的松緊和電機的轉速可改變橫波的波長和振幅. 演示縱波時通過振子上下往復運動帶動豎直方向的拉伸彈簧上下振動，此時振動方向與波的傳播方向一致，調節彈簧的松緊和電機的轉速，當調到某一值時便可在豎直方向觀察到縱駐波，改變彈簧的松緊和電機的轉速可改變縱波的波長和振幅. 在振子上安裝共振片或共振圓環可演示共振現象.

圖3 橫波縱波波動演示儀

圖4 曲柄滑塊機構

3 儀器操作方法

1)橫波的觀察

演示橫波時，首先將電壓調節旋鈕旋至最低再接通電源，同步調節電壓和橡皮筋長度，直至看到清晰的橫駐波圖像，如圖5所示. 繼續增大電壓，波的個數也會增加，根據相鄰2個波節或波腹間水平方向的距離相差半個波長，在橫波上找出2個相鄰波節或波腹，就可算出該橫波的波長.通過演示儀學生可看到橫波的形成與傳播過程.

圖5 橫波圖像

2)縱波、共振的觀察

和橫波觀察操作類似，調整輕質彈簧長度的同時改變電機電壓，直至清晰的縱波出現，現象如圖6所示. 繼續增大電壓，波的個數就會增加. 通過振動圖像看到振動密處是波腹，振動疏處是波節，波腹到波腹的距離是半個波長，進而知道波長. 通過演示儀學生可看到縱波的形成與傳播過程.

圖6 縱波圖像

將共振條或共振圈裝在振子上，當振子振動時，調節電機轉速，當電機轉速為某一值時就會觀察到共振現象.

4 教具在物理教學中的作用

觀察和實驗是學習物理的基礎，也是物理教學的重要手段. 利用教具開展物理教學對學生的感性知識的形成，以及學生觀察能力的培養具有獨特的作用，同時也是物理教學的重要手段.自制橫波縱波波動演示儀在物理教學過程中發揮以下作用：a.給學生提供豐富的感性材料，加深學生對橫波、縱波的形成和2種波的特點的理解；b.有針對性設計制作教具，演示波動現象，創設物理情境，能激發學生學習興趣，培養學生的創新思維能力和動手能力.

5 教具創新之處

橫波縱波波動演示儀是對傳統橫波、縱波演示儀器的不足的改進，此裝置巧妙地利用曲柄滑塊機構將電機的旋轉運動變為振子的上下往復運動，通過調節電機的電壓就可調節振子的頻率，裝置結構簡單，操作簡單，得到的橫波、縱波圖像完整、穩定，便于學生觀察. 通過對比加深學生對橫波、縱波的理解與記憶，而且通過此教具使學生對受迫振動也會有更深的認識.

[1] 陳熙謀，吳祖仁. 普通高中課程標準實驗教科書物理(選修3-4)[M]. 北京：北京科學出版社，2006：22-24.

[2] 孫榮恪，顏建廈，周慶龍. 利用廢舊吸管自制波動演示器[J]. 中國現代教育裝備，2015(2)：37-39.

[3] 龐小梅,彭懿. 自制橫波演示儀[J]. 中學物理(高中版),2016，34(1)：42.

[4] 李陽，王宏，韓艷玲. 橫波演示儀的設計與制作[J]. 物理通報,2015(9):68-69.