用自制水波投影儀演示波動現象

吳嘉欣 鄭學旎 余小玉 李德安

(1. 東華高級中學,廣東 東莞 523000; 2. 華南師范大學物理與電信工程學院,廣東 廣州 510006; 3. 松崗實驗學校,廣東 深圳 518105)

機械波是2017人教版高中物理選擇性必修1第3章的內容,是高中物理中較為抽象難懂的部分,對學生的理解力和空間想象力有較高的要求.因此,直觀演示是幫助學生理解波動現象的重要手段.由于水波是一種常見的機械波,波動現象直觀明顯,故傳統的演示裝置主要為發波水槽(常見的有手動式、電磁式和氣動式3種),但存在振頻不穩定、演示功能少、不利于課堂展示等問題.本文展示的水波投影儀將藍牙和振源連接,再將手機連接藍牙,通過手機音頻發生器實現對振頻的精確控制,形成穩定的波紋,配合滑軌和擋板即可演示多種波動現象;并通過投影將現象清晰地呈現豎直屏幕上,組裝簡便,便于攜帶,有助于課堂演示,從而克服了傳統發波水槽的問題,對激發學生好奇心、幫助學生理解相關概念、解決教學重難點有著顯著的作用.

圖1 裝置側視圖

1 制作原理

水波投影儀由光源、振動源、透明水槽、投影箱等構成(如圖1).在透明水槽中加入少量清水，啟動振動源，振針以一定頻率上下振動，不斷敲擊水面，形成水波.從上方光源發出的光線經45°平面反射鏡后，即可將水面的波紋投影到投影箱前的白色屏幕上.通過豎直屏幕即可觀察到水的各種波動現象.

1.1 振動原理

本教具將揚聲器接在功率放大器的輸出端,藍牙板接在功率放大器的輸入端.將手機和藍牙板配對連接,就可以通過手機音頻信號發生器輸出音頻信號,控制揚聲器振動,電路圖如圖2所示.將塑料瓶的上半瓶身固定在揚聲器的振動盆中,瓶蓋上固定鋼尺,鋼尺前端固定振針,制作成振動源,如圖3所示.揚聲器振動時帶動振針振動,敲擊水面,即可形成水波.

圖2 振動源控制電路

圖3 振動源實物圖

1.2 顯示原理

本教具提供的光源為頻閃光源,由LED燈、功率放大器、藍牙板、電源和開關組成,電路圖如圖4所示.將LED燈、藍牙板分別接在功率放大器的輸出端和輸入端.將手機和藍牙板配對連接,即可通過手機音頻信號發生器輸出音頻信號(如圖5),控制LED燈以一定頻率閃亮,制作成頻閃燈.當頻閃光的頻率和水波振源的頻率相同時,光和水波同步,投影靜止,畫面定格;當頻閃光頻率比振源頻率稍大時,光每次打到水波上的位置都滯后于前一次,所以投影向內收縮;當頻閃光頻率比振源頻率稍小時,投影向外擴展.[1]

圖4 頻閃光源控制電路

圖5 手機音頻發生器操作界面

2 制作流程

(1) 搭建裝置.

用激光切割機切割亞克力板,制作光源支架、水槽和投影箱;制作好后,將45°平面鏡放入投影箱中,水槽架到投影箱上,并放置光源支架;將LED燈固定在光源支架上.

圖6 控制電路實物圖

(2) 制作頻閃光源控制電路.

將LED燈和藍牙板A分別接在功率放大器A的輸出端和輸入端;將手機A和藍牙板A配對連接,制作成頻閃燈.功率放大器由3節鋰電池供電,藍牙板由3節5號電池供電,如圖6所示.

(3) 制作振動源.

將滑軌釘在木箱上,再將揚聲器固定在滑軌上;截取塑料瓶上半瓶身,將其固定在揚聲器振動盆中,瓶蓋上固定鋼尺,鋼尺前端固定振針,制成振動源.

(4) 制作振動源控制電路.

將揚聲器和藍牙板B分別接在功率放大器B的輸出端和輸入端;將手機B和藍牙板B配對連接,從而控制揚聲器以一定頻率振動.

(5) 制作擋板.

切割白色亞克力板,制作成擋板.整個教具的正、反面如圖7、8所示.

圖7 教具正面圖

圖8 教具背面圖

3 功能演示

3.1 演示波的反射現象

當水波在傳播過程中碰到障礙物時,就會發生反射.在水面上放置一個擋板后,將一個振針向上旋轉一定角度,只讓另一個振針敲擊水面,形成水波;閉合振源、光源開關,打開手機A、B的音頻信號發生器,將振源和光源的頻率設置為30 Hz,再通過手機音量鍵調節振源的振幅和光源的亮度,由圖9即可觀察到波源發出的圓形水波遇直線界面反射的現象.

圖9 水波反射現象

圖10 水波衍射現象

3.2 演示水波的衍射現象

水波繞過障礙物,偏離直線傳播而進入幾何陰影,且明暗分布不均勻的現象,為水波的衍射現象.[2]將一個振針向上旋轉一定角度,只讓另一個振針敲擊水面;在水面上放置兩個擋板,形成單縫,適當調整縫寬;閉合開關,通過手機分別調節好振源的頻率、振幅以及光源的頻率、亮度后,由圖10即可觀察到水波出現在擋板的幾何陰影部分,且明暗分布不均勻的衍射現象.

3.3 演示水波的干涉現象

如果兩列波頻率相等,在觀察時間內波動不間斷且在相遇處振動方向沿同一直線,它們疊加后產生的合振動在有些地方加強,有些地方減弱,振動加強的區域和振動減弱的區域相互隔開,這種現象叫做波的干涉.[2]閉合開關,通過手機調節好兩個振針振動的頻率和振幅,以及光源的頻率和亮度,即可觀察到水波的干涉現象.適當調節兩個振針的間距,還可以觀察到條紋寬度隨振針間距增大而減小的情況,如圖11、圖12所示.

圖11 振針間距較小

圖12 振針間距較大

3.4 演示多普勒效應

多普勒效應指出,當觀察者與波源之間發生相對運動時,接收的頻率相對發射的頻率會發生變化.當波源與觀察者相互靠近時,頻率變高,波長變短.當波源與觀察者相互遠離時,頻率變低,波長變長.[2]將一個振針向上旋轉一定角度,只讓一個振針敲擊水面;閉合振源和光源開關,調節好振源的頻率和振幅,以及光源的頻率和亮度,形成穩定的水波;移動滑軌,固定在滑軌上的揚聲器帶動振針沿直線運動,即可觀察到在波源運動方向上,波紋變密,頻率變高;而在波源運動的反方向上,波紋變疏,頻率變低,如圖13、圖14所示.

圖13 多普勒效應1

圖14 多普勒效應2

4 教學作用

(1) 激發學生興趣,增進學生理解.

機械波是高中物理中較為抽象難懂的內容,直觀演示有助于增進學生對波動現象的感性認識,進而理解波動現象中的抽象概念.本教具提供了豐富的演示功能,現象清晰明顯,而且創造性地采用智能手機連接藍牙實現對頻率的控制,原理也不復雜,可以有效地能激起學生的好奇心和求知欲望,讓學生感受到現代科技的魅力,從而促進學生對波的理解.

(2) 拓展課堂教學內容,培養科學探究能力.

本教具除了演示教材中提及的波現象外,還可用于探究圓形波波長和頻率的關系、探究惠更斯原理等,有助于感興趣的學生進行課外探究,培養學生的科學探究能力和實踐能力.