驻波法在功能模块化物理实验教学中的应用

罗 浩,向泽英,马婷婷

(西南科技大学,四川绵阳 621010)

驻波法在功能模块化物理实验教学中的应用

罗 浩,向泽英,马婷婷

(西南科技大学,四川绵阳 621010)

基于功能模块化教学模式,用驻波法原理完成了超声波速度、微波波长以及弦线密度3个物理量的测量,传递了“同一物理原理解决不同实际问题”的模块化教学理念,有利于学生系统掌握物理知识,提高综合运用知识的能力。

驻波;超声波波长;微波波长;弦线密度

模块化教育模式起源于20世纪70年代的欧美国家,中国从90年代开始进行探索。孙维民等在《开放型物理实验教学平台建设与实践》中建立分层次、模块化的开放型物理实验教学模式,以培养学生独立分析、解决问题的能力,提高学生的综合素质[1];何军锋等在《基于实验中心的物理实验模块化管理研究与实践》中对综合设计性实验开设项目进行了阐述,提出了实验室提供仪器,学生自主组建团队,自主选题,自主设计模块化实验的具体实施思路[2];毛祥庆等在《工科物理实验功能模块化教学探索》中对西南科技大学用光杠杆、迈克尔逊干涉仪、杨氏模量、光栅衍射等多种方式测量微小长度的模块化教学模式进行了阐述,在培养学生综合运用物理知识的能力方面起到了良好的效果[3]。

西南科技大学近年来将功能模块化教学方法贯穿于科学出版社出版的自编教材《新编大学物理实验》中,在实际教学中多处体现用同一个物理原理解决不同实际问题,同一个物理量用不同方法进行测量的实验项目设计思路,目前设计了有微小长度的测量、折射率的测量、示波器的应用、电阻的测量等多个模块,随着实验的开展和不断总结,师生们正在开发出更多的教学模块,如驻波法原理在不同实验场合的应用即为最新开发出的教学模块[4]。

1 驻波原理

在同一介质中两列频率、振动方向相同,而且振幅也相同的简谐波,在同一直线上沿相反方向传播时就会发生叠加而形成驻波,如图1所示。

图1 驻波示意图

驻波的表达式为

2 驻波法测超声波速度

2.1 实验原理

声波传播过程中满足以下关系:v=λ·f(其中v表示波速,λ表示波长,f表示频率)。只要测得λ和f,即可算出声速v。据此原理可用驻波干涉法测λ,共振法测f,从而实现对超声波波速的测量[4]。

2.2 实验方法

采用ZKY-SSA型声速测定实验仪进行实验,如图2所示。

图2 超声波速度测量装置

S1和S2是压电陶瓷超声换能器,低频信号发生器输出的正弦交变电压信号接到发射头S1上,发出一平面声波。接收头S2接收到的声压转换成交变的正弦电压信号后输入示波器观察。S2在接收超声波的同时还反射一部分超声波。这样,发射和反射的超声波在S1与S2之间的区域多次反射叠加,当间距为λ/2整数倍时形成驻波。逐渐改变间距,在一系列特定的位置上S2上的声压达到极大值,相邻两极大值之间的距离为λ/ 2,间距变化用游标尺加手轮读数测得。另外调节低频信号发生器的频率直到振幅最大,此时系统达到共振,读得的频率即超声源的振动频率f[5]。

2.3 结果分析与讨论

测得固有频率为f=38.000 kHz。连续10次振幅达到最大值时的坐标如表1:

表1 振幅达到最大值时的坐标

由逐差法算得

由共振干涉法测得超声波速度

查得实验状态下超声波速度理论值

v=338.9m/s,

可知相对误差

3 驻波法测微波波长

3.1 实验原理

微波喇叭既能接收微波,同时它也会反射微波,因此发射器发射的微波在发射喇叭和接收喇叭之间来回反射,振幅逐渐减小。当发射源距接收检波点之间的距离等于λ/2整数倍时,经多次反射的微波与最初发射的波同相,此时信号振幅最大,电流表读数最大[6-9]。发射器不动时接收器移动的距离Δd与出现接收到信号幅度最大值的次数N之间的关系为:

3.2 实验方法

采用ZKY-W型微波光学实验仪进行实验,将发射器和接收器处于同一轴线上,如图3所示,接收器沿钢尺缓慢滑动远离发射器,当电流表在某一位置出现极大值时,记下接收器所处位置刻度X1,然后缓慢将接收器沿远离发射器方向缓慢滑动,当电流表读数出现10个极小值后再次出现极大值时,记下接收器所处位置刻度X2。

图3 微波光学实验仪

3.3 结果分析与讨论

数据结果见表2。

表2 10次极大值间隔

由表中数据可算得

查仪器参数可知

λ=2.84 cm,

由此可得相对误差

4 驻波法测弦线密度

4.1 实验原理

对于一条伸长的弦,相邻两波腹之间距离为λ/2,弦长L与波腹数k的关系为

驻波为横波,在弦上的传播速度为

其中μ表示弦线密度。

将(1)、(2)式代入v=λ·f,得绷紧的尼龙弦线的固有频率为

两边平方可改写为

令

则

f2=Km。

通过仪器测出f,m,可得系数K,再数出波腹数k,测出弦长L,则可算得线密度

4.2 实验方法

采用CI-6871G型PASCO综合实验仪来测定弦线密度[7]。该仪器利用各种传感器来收集数据,并运用DataStudio软件来收集和处理数据。如图4。

图4 弦线密度测量

将尼龙弦线一端与弦线振动器连接,另一端绕过定滑轮,定滑轮挂钩上悬挂质量为m的砝码。实验时,悬挂砝码质量分别为50 g、100 g、150 g、200 g、250 g时,调节振动频率,使尼龙线显示出4个波腹,记下振动频率,并用米尺测出振动器到定滑轮的弦长L。

4.3 结果分析与讨论

测得定滑轮的弦长L=1.30m,波腹数k=4,电子天平称得有效部位弦线质量m=0.504 3 g, f2和m数据如表3。

表3 f2和m对应关系

将 f2和m数据作线性拟合图如下。

图5 f2~m

由图5可得,拟合度为0.999 67,斜率

K=58.92 Hz2/g,

实测线密度μ(g/m)0.393 7

μ0=0.387 9 g/m

相对误差

5 结 论

驻波法还可以用来测量空气绝热指数[8]、光速、超声波衰减系数、反射系数等诸多物理量,由于篇幅有限就不一一赘述。近几年的功能模块化教学实践证明,学生在与教师一起进行模块化实验项目的设计及实验的过程中,更加熟练、系统地掌握了力、热、电、磁、光、近代物理及现代科技的物理知识体系,综合运用知识的能力有了大幅提升,一定程度上摆脱了实验教材验证性实验项目的束缚,使学生真正具备了灵活运用所学知识解决实际问题的能力。

[1] 孙维民,国安帮,赵褰.开放型物理实验教学平台建设与实践[J].实验室研究与探索,2013(6):17-20.

[2] 何军锋,姚军财,潘宏利,等.基于实验中心的物理实验模块化[J].管理研究与实践,2011(10): 23-31.

[3] 毛祥庆.工科物理实验功能模块化教学探索[J].实验技术与管理,1998(2):4-7.

[4] 周自刚,赵福海.新编大学物理实验[M].科学出版社,2013(5):41-45.

[5] 任隆良,宋克威,刘金来.驻波法测量声速实验中的非完全驻波[J].物理通报,2002(2):41-45.

[6] 陈森,吴平,刘京亮,等.微波分光仪角锥喇叭天线的优化[J].物理实验,2009(6):13-17.

[7] 张健,刘茂军,肖利.用驻波法测量弦线密度的实验研究[J].物理教师,2013(4):50-53.

[8] 刘颖刚,李明,韩党卫.驻波法测量空气绝热指数的研究[J].陕西师范大学学报,2003(4):15-18.

[8] 张俊玲.驻波法测量声速实验的系统误差分析[J].大学物理实验,2012(5):81-83.

Application of Standing W ave M ethod in Function M odularization in Physics Experiment Teaching

LUO Hao,XIANG Ze-ying,MA Ting-ting
(Southwest University of Science and Technology,Sichuan Mianyang 621010)

Based on function modularization teaching mode,completed measurement of three physical quantities include ultrasonic wavelength,microwave wavelength and string density by standing wave method, transfer themodular teaching idea of“the same physical principle to solve different problems”,helps students master the knowledge of the physics of the system,and improve the comprehensive ability to use knowledge.

standing wave;ultrasonic wavelength;microwave wavelength;string density

O 4-33

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.006.013

1007-2934(2015)06-0043-04

2015-03-26

西南科技大学实验技术项目(15syjs-17);西南科技大学高教专项课题(15gjzx12);西南科技大学实验室开放基金项目(15xnkf-07、15xnkf-11);西南科技大学本科课程设计项目(15KCSJ014)。