機械波演示器的對比

羅冬玲 梁志輝 張軍朋

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006)

1 問題的提出

《普通高中物理課程標準(2017年版)》強調演示實驗是師生共同探究物理問題的學習方式，也是體驗性較強的學習方式，指出教師應該積極利用各種器材，積極創新實驗方式，盡可能多開發可視性強、證據性強、能引起學生濃厚興趣的演示實驗[1].“機械波的形成與傳播”是選擇物理的學生必須掌握的重點知識，同時也是難點知識.課標對這一節的要求是：“學生通過觀察，認識波的特征”.

在“機械波的形成與傳播”這一節的教學中，不少教師會利用一段普通繩子(沒有彈性)演示繩波，作為新課導入演示實驗，如圖1所示，并以此作為后續建立繩波模型的情景，如圖 2所示.圖1和圖2均來自粵教版高中物理教材(2019版).

圖1 繩波的演示

圖2 繩波模型

這導致學生很容易產生疑問：繩子在振動過程中，由于形狀發生彎曲，沿傳播方向的長度就會變短，而教材中給出的繩波模型中，繩子沿傳播方向的長度并沒有因為繩子形狀發生彎曲而變短.這樣會導致學生對于“質點只在平衡位置附近振動”沒有直觀的認知，理解起來比較吃力；此外由于脈沖速度大以及反射波的干擾，用繩子演示橫波現象并不明顯.

常見的演示機械波的形成與傳播的儀器還有實驗室的傳統手搖橫縱波演示器.值得注意的是，這種儀器演示的不是真正的機械波，只能算是模擬機械波，而且存在一個致命的缺點，即停止搖動，波也會立刻停止.這容易導致學生形成“波源停止振動，波也不再傳播”的錯誤概念.

因此,在教學中用一般的繩子和手搖式橫縱波演示器來演示機械波經不起論證，不合適.那么,如何才能真正演示機械波的產生和傳播特點,下面對現有機械波演示器作一對比.

2 機械波演示器的對比

梳理已有的機械波演示器，大致可以分為以下3類.

2.1 完全模擬橫波和縱波的演示器

這類演示器一般是靠機械傳動裝置(凸輪結構)帶動振子運動，產生橫波、縱波波形圖像.實驗室常見的手搖式橫、縱波演示器便屬于此類，如圖3所示(網絡圖片).

圖3 手搖式橫波、縱波演示器

手搖式橫、縱波演示器雖然廣泛存在各中學物理實驗室中，但存在嚴重的不足：

(1)傳統的手搖式橫波、縱波演示器各個質點是獨立的，內部結構不可視；

(2)不能同時演示模擬橫波和縱波的波形圖像，即在同一裝置中，學生一次只能觀察其中一種波形圖像；

(3)停止搖動，波也會立刻停止，容易導致學生形成錯誤概念.

在此基礎上，實驗儀器廠家生產了可以同時觀察橫波和縱波波形圖像的演示器，克服了一些手搖式橫縱波演示器的不足，如圖4所示(網絡圖片).

圖4 22015波動演示器

這類橫波、縱波演示器操作簡單，只需握住手柄，逆時針轉動手柄，使所有振子歸位，成均勻直線排列，然后順時針轉動手柄，就能同時看到橫波和縱波的圖像.

有些發表的有關自制橫波、縱波演示器的文章[2]，所謂自制的波動演示器本質上就是這種完全模擬的演示器，這表明有的教師對于機械波形成的本質原因還存在誤區，對有些物理概念和物理規律的本質理解不到位.

還有一種利用數字集成電路演示橫波、縱波圖像的CMOS數字集成電路波動演示器，如圖5所示(網絡圖片)，按動開關，調節好周期，即可演示橫波、縱波波形圖像.

圖5 CMOS數字集成電路波動演示器

此類機械波演示器，操作簡單方便，振子定位準確，圖像美觀，但不管如何改進都存在致命缺點.靠凸輪結構機械傳動帶動振子運動或集成電路控制的波動演示器，沒有實際的橫波和縱波產生，只能反映振動和波動的圖像，但并不能反映機械振動狀態通過彈性力傳播而形成機械波這一物理本質，即演示出來的現象并不是真正的機械波.

這類機械波演示器雖然演示的不是真正的機械波，但卻存在于各高校和中學的物理實驗室，很大的原因就是演示模擬設備雖然不能演示真實的機械波動現象，但通過向觀察者展示設備的實際操作，能讓高中生對理解抽象的振動和波動相關現象和知識有很大幫助.

2.2 演示真正機械波的單一演示器

2.2.1 利用彈性體扭曲形變演示橫波

利用彈性體扭曲形變可演示真正的橫波形成過程，如圖6(網絡圖片)所示.

圖6 彈性體扭轉形變橫波演示器

將一端有小球的支架固定在松緊帶上，使用前先調節支架間的距離，使松緊帶的松緊適宜.然后調節小球，使兩邊的小球都在同一直線上.演示時，撥動一端的小球使其上下振動，當第一個擺球擺動起來后，松緊帶便會把驅動力傳遞到相鄰的擺桿上，其余小球依次受到力的作用，順序振動，形成橫波.

彈簧體扭轉形變橫波演示器演示的是真正橫波的形成過程.但此橫波演示器不適用于實際授課，該裝置與教材中提供的橫波模型配合不一致，學生不易理解接受.

2.2.2 共振擺改裝成橫波演示器

利用彈性繩子帶動相鄰的彈簧振子依次開始做簡諧振動，隨著時間推移，在空間上形成橫波,如圖7所示.用彈性繩子把足夠多的彈簧振子依次連接起來，使彈簧下端的小球水平排列成一條直線，控制好力度，用手使第一個振子做上下往復運動，第一個小球的振動通過彈性繩傳播下去，形成一列持續傳播的橫波[3，4].

圖7 利用懸掛起來的彈簧演示縱波

這種橫波演示器將擺球懸掛起來，避免了重力和摩擦力的影響，第一個做簡諧振動的小球的運動狀態在彈性繩的作用下，依次傳播到相鄰的小球，演示的是真正橫波形成的過程.但要想現場實驗效果明顯，可視性強，演示器要制作得龐大，會導致不易攜帶.

將彈簧用細線懸掛起來，控制彈簧圈的疏密程度，用手輕輕撥動與彈簧一端相連的振子，也可以用直流減速電機帶動曲柄連桿結構使振子水平往復振動，便可以形成一列縱波[4]，如圖8(網絡圖片)所示.

圖8 彈簧式縱波演示器

懸掛式彈簧縱波演示器演示的是真正的縱波物理模型，相比教科書中，把彈簧直接放在地面上，把彈簧懸掛起來減小了摩擦力，振幅的衰減沒那么厲害，但在實際使用中，由于長彈簧容易損壞，體積小，容易導致演示效果不佳.

2.3 演示真正橫波和縱波的演示器

利用功放的振動或電機的帶動，可以讓與功放相連的繩子在水平方向形成橫波，讓與另一個功放相連的彈簧在豎直方向形成縱波[5].

調節功放的頻率和橡皮筋的松緊可以改變橫波的波長和振幅.通過調節彈簧的松緊和功放的轉速可改變縱波的波長和振幅.

(a)

(b)

這種機械波演示器存在以下優點:

(1)演示的是真正的橫波和縱波模型；

(2)可同時演示橫波與縱波，讓學生對波的振動方向與傳播方向的關系有直觀的視覺對比；

(3)橫、縱波的波長和振幅是可調節的；

(4)調節功放功率，可以觀察共振現象.

可觀察到穩定的波形，學生可直觀觀察到波的個數，進而更容易理解波長.當然也存在一定的缺點：

(1)需要一定的造價成本，制作復雜.

(2)儀器比較小，不利于后面的學生觀察.

3 總結

綜上所述，對于橫波、縱波的演示，傳統的手搖式橫波、縱波演示器只能模擬機械波，演示的不是真正的機械波，存在致命缺陷.教師在選擇演示實驗時，應該思考所選擇的實驗能否反映物理概念和規律的本質，在此基礎上考慮實驗方案的優化.其余的演示真正機械波的演示器各自有自己的優缺點，教師可以根據需要進行選擇和改進，例如利用功放振動的橫波、縱波演示器雖然存在裝置小，學生不易觀察的缺點，但教師可以采取投屏或錄像的形式展示在PPT中，這樣每個學生都可以看清.

機械振動在彈性媒質中順次傳播形成機械波，新的波動演示器的設計制作應反映這一物理本質，應使學生通過演示實驗直觀地理解振動與波動的關系.