簡單易做的波的干涉演示器

王富民

山東省濟(jì)寧市實(shí)驗中學(xué)(272023)

1 重現(xiàn)實(shí)驗,發(fā)現(xiàn)問題

人民教育出版社普通高中物理教科書選擇性必修第一冊第三章“機(jī)械波”第4節(jié)“波的干涉”中有2個必做的演示實(shí)驗:觀察波的疊加現(xiàn)象和觀察水波的干涉[1]。

(1)觀察波的疊加現(xiàn)象

在兩個學(xué)生用長繩子演示了波的疊加現(xiàn)象之后,學(xué)生認(rèn)識到兩列波彼此相遇并穿過后波的形狀和相遇前一樣,傳播的情形也和相遇前一樣,生活中常見的水波也是如此。在兩列波重疊的區(qū)域里,介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)同時參與這兩列波引起的振動,質(zhì)點(diǎn)的位移等于這兩列波單獨(dú)傳播時引起的位移的矢量和。學(xué)生在觀察長繩子傳播波時兩列波重疊的區(qū)域質(zhì)點(diǎn)的位移變化太快,只感覺有所加強(qiáng),不容易得出“質(zhì)點(diǎn)的位移等于這兩列波單獨(dú)傳播時引起的位移的矢量和”的結(jié)論,有必要在觀察水波的干涉時加以驗證。

(2)觀察水波的干涉

這個實(shí)驗對學(xué)生來說非常重要,學(xué)生有了感性認(rèn)識才能上升到理性認(rèn)識,有了仔細(xì)的觀察才會有深入的研究。

做好這兩個實(shí)驗是課堂成功的關(guān)鍵,這兩個實(shí)驗不但能讓學(xué)生通過感官認(rèn)識振動在介質(zhì)中傳播的現(xiàn)象,增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識,還能讓學(xué)生在觀察水波的干涉實(shí)驗時體驗到:用科學(xué)的方法將物體的振動進(jìn)行轉(zhuǎn)換,使兩個振源同相位,將振源的特征(相干波)表現(xiàn)出來,以利于學(xué)生觀察,從而認(rèn)清事物的本質(zhì),總結(jié)出規(guī)律性的東西,這也是對學(xué)生進(jìn)行科學(xué)方法教育的啟蒙。

教師在演示觀察水波的干涉實(shí)驗時,如果不使用投影設(shè)備就會影響觀察效果。要使學(xué)生有“身臨其境”的感覺,可以通過指導(dǎo)學(xué)生做一個“水波的干涉演示器”,授人以魚不如授人以漁。讓學(xué)生做一個學(xué)具,培養(yǎng)學(xué)生動手動腦的能力,提高學(xué)生解決問題的能力,發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)。

2 制作器材與方法

2.1 主要器材

微型振動直流電動機(jī)(電壓1.5～3.7 V),1節(jié)1號干電池,廢舊鋼鋸條長25 cm,廢舊自行車輻條18 cm;4個自攻螺釘:2個圓頭、2個平頭;長度10 cm、寬度8 cm、厚度1 cm的木板1塊,長度8 cm、寬度3 cm,厚度1 cm的木條1根,竹筷子截取8 cm,600 W/220 V電爐絲截取1/5,鱷魚夾1個,導(dǎo)線若干;工具有:電烙鐵、尖嘴鉗、熱熔膠、熱熔膠槍、美工刀。

2.2 制作方法

將廢舊自行車輻條折成門字形,橫梁長度10 cm,門邊框長度4 cm,在門字形的兩個短邊框上用熱熔膠各粘結(jié)1個圓頭自攻螺釘作振源,取平頭自攻螺釘將廢舊鋼鋸條一端用木條壓在木板邊緣上,用熱熔膠將廢舊自行車輻條折成的門字形橫梁粘結(jié)在廢舊鋼鋸條的另一端(使兩個邊框與鋼鋸條對稱),成“耙子”形狀[2-3];用熱熔膠將微型振動直流電動機(jī)粘結(jié)在靠近“耙子”頭的廢舊鋼鋸條上;將電爐絲繞在竹筷子上與微型振動直流電動機(jī)串聯(lián),一段導(dǎo)線與鱷魚夾相連,導(dǎo)線焊接在干電池的正極上,干電池的負(fù)極連接微型振動直流電動機(jī)。

3 電路連接與調(diào)節(jié)

制作好的波的干涉演示器如圖1所示。

圖1 演示器實(shí)物圖

3.1 電路連接

電路連接圖如圖2所示。

圖2 簡單易做的波的干涉演示器電路連接圖

按電路圖連接好各元件，鱷魚夾夾在繞電爐絲的竹筷子上即接通了電源，移動鱷魚夾夾持的位置可以調(diào)節(jié)電爐絲接入電路中的長度，從而改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，即改變振源的振動頻率；電路接通時，微型振動直流電動機(jī)的振動頻率遠(yuǎn)大于電路斷開時整個裝置的固有頻率，所以，電路接通時，整個裝置的振動是受迫振動，實(shí)驗發(fā)現(xiàn)微型振動直流電動機(jī)靠近“耙子”頭時的振動效果較好。

圖3 演示器實(shí)驗效果圖

3.2 使用說明及效果

1節(jié)新的1號干電池內(nèi)阻較小，短路電流較大，近3 A。使用1節(jié)新的1號干電池，然后用調(diào)節(jié)電爐絲長度來改變微型振動直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速的效果明顯。1號干電池使用時間長了，其電壓會降低，此時，用在電爐絲上移動鱷魚夾來改變振動頻率的方法的調(diào)節(jié)范圍變窄，1號干電池電壓再降低時，微型振動直流電動機(jī)就不容易啟動，需要更換電池。使用完畢后應(yīng)及時切斷電源。使用“簡單易做的波的干涉演示器”完成水波的干涉實(shí)驗時，要在水盆里注入滿盆的80%的水，可以用手握住演示器，也可以用廢紙盒墊住演示器，并用重物壓持牢固，然后用鱷魚夾接通電源，觀察實(shí)驗現(xiàn)象。

4 制作小結(jié)

“簡單易做的波的干涉演示器”的制作材料廉價、易得,用其進(jìn)行實(shí)驗,便于學(xué)生操作及近距離觀察。自制“簡單易做的波的干涉演示器”可作為學(xué)具使用,也可以作為教具使用。