基于聲振動的機械波干涉與衍射實驗

楊萬琴,汪成瑞,張軼炳

(寧夏大學 物理與電子電氣工程學院，寧夏 銀川 750021)

在高中物理教學中，有關機械波干涉與衍射的實驗相對較少，本文應用手機FrequencySoundGenerator軟件提供單頻率聲波，通過音響將聲波振動放大，引起水槽中水波的振動，讓機械波的干涉與衍射可視化.

1 實驗裝置設計

演示機械波干涉與衍射實驗的實驗裝置圖如圖1所示.

(a)示意圖

(b)實物圖圖1 實驗裝置

1.1 制作材料

水槽，音響，臺燈，攝像頭，較輕的鐵軌道，小木板2塊，小木棒2根，紐扣型強磁鐵2塊，螺母2只，膠水，梯形玻璃磚2塊.

1.2 實驗儀器制作過程

1)在小木棒的一端固定1塊紐扣型強磁鐵(組成小振錘)，并使其可以吸附在鐵軌上，另一端固定1只螺母.

2)準備2套音響，每套只留其中1個，用小木棒將音響喇叭與軌道用膠水粘在一起.

3)找透明的水槽，將其側面用黑色防水膠帶包裹起來，確保側邊不漏光.

4)準備大小適合的LED臺燈，調整臺燈亮度和角度，使其盡可能照到整個水槽.

5)用手機FrequenceSoundGenerator軟件播放單頻率的聲波，聲波使音響喇叭振動，而音響喇叭帶動振錘振動，產生2列同頻率的水波，進而觀察干涉現象.

6)將2塊梯形玻璃磚并列放到水槽中，形成單縫，將振錘接入水槽中，觀察水波通過單縫時發生的衍射現象.

7)為使實驗現象更加明顯，可以將水波圖樣投影到屏幕上進行觀察，同時調整攝像頭的位置，避免反光，使得條紋最明顯.

2 實驗操作及現象分析

2.1 衍射現象演示

向水槽中加入適量水，在連接音響的軌道中插入振錘，用2塊玻璃磚排擺放成單縫，輸入頻率為15Hz聲音，即可觀察到如圖2所示水波單縫衍射現象.

圖2 水波衍射圖

2.2 干涉現象演示

在演示干涉現象時，應用1套音響連接2個振錘，然后用手機FrequencySoundGenerator軟件輸入15Hz聲音，由此可以觀察到的水波干涉現象，如圖3所示.

圖3 同頻率水波干涉圖

2.3 干涉條件驗證

2列機械波要發生干涉，必須滿足頻率相同、振動方向一致、相位差恒定的條件，由于水波的波長較大，很容易實現相位差恒定，因此該實驗設計中對其不進行考慮，只對頻率和振動方向2個條件進行驗證.

1)驗證機械波干涉與頻率的關系

為驗證只有頻率相同的2列聲波才可以發生干涉，故左邊音響輸入15Hz聲音，右邊音響輸入30Hz聲音，觀察實驗波形如圖4所示.

圖4 不同頻率水波干涉圖

與同頻率的水波干涉圖樣(圖3)相比較，不同頻率的水波干涉圖樣振動缺乏規律性，沒有明顯的振動加強區和振動減弱區. 因此可以驗證，只有滿足振動頻率相同的2列波才能發生干涉，不同頻率的2列水波相遇時只是簡單非相干疊加，從而引起水面的無規律擾動.

2)干涉疊加區的確定

干涉現象主要分布在2個振源的連線的中垂線上及中垂線兩側，因此在該區域2列波的振動方向是一致. 用對應的方法找出實際波形圖中的振動加強區和減弱區(圖5).

圖5 振動疊加區分布圖

通過觀察可以看出，實際干涉圖樣中，振動加強區和減弱區也分布在振源間連線的中垂線上及其兩側，因此在實驗過程中選擇該區域為觀察區.

3 結束語

該實驗借助聲源振動演示機械波干涉與衍射現象，不僅改進了該實驗，也啟發了中學物理教師的創新思維，物理教師不僅應該從物理知識上懂得物理實驗，物理操作技能上達到會做物理實驗，更應具有研究物理實驗的能力.

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