巧用示波器做音叉共鸣实验

巧用示波器做音叉共鸣实验

特古斯

(通辽职业学院内蒙古 通辽 028000)

收稿日期：(2014-06-25)

示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器，它可以直接观察电信号的波形，测量电压的幅度、周期、频率等参数.在实际应用中凡是能转化为电压信号的电学量和非电学量如压力、温度、磁感应强度、光强等都可以用示波器来观测.共振是一种常见的自然现象,声音的共振通常叫做共鸣.为了让学生进一步加深对共鸣知识的理解和掌握，笔者在物理教学中增设了利用示波器观察共鸣现象的探究型实验供学生使用，取得了良好的教学效果.

1准备材料

2458型示波器，HTD20A-1型压电陶瓷片，音叉(440 Hz的2支，523.2 Hz的1支，493.9 Hz的1支)，共鸣箱一个，橡皮槌，鳄鱼夹导线一对.

2实验原理

实验装置如图1所示，图中HTD20A-1型压电陶瓷片，其内部结构如图2所示.它的中间是锆钛酸铅(PZT)晶体，晶体的一面粘在黄铜片上，另一面涂上导电材料，当晶体受到机械压力作用时，在它的两面就会产生电势差，这样就把压力信号转变成电压信号，即压电效应.用电烙铁在压电陶瓷片的导电层和黄铜片上分别焊接长度为30 cm的两条绝缘软导线，在压电陶瓷片黄铜片上粘双面胶，然后将压电陶瓷片粘在440 Hz音叉叉股底部，之所以不是粘在其他任意位置，是因为音叉叉股处的压电陶瓷片对音叉固有频率的影响很小.当音叉发生共鸣时，压电陶瓷片将音叉的声信号转换成电压信号输送到示波器，最终在示波器的荧光屏上显示出表示声音共鸣的简谐振动波形.

图1　实验装置

①音叉A； ②共鸣箱； ③压电陶瓷片； ④音叉B ；⑤示波器；

⑥压电陶瓷片引出线；⑦音叉槌

图2　压电陶瓷片

①黄铜片； ②压电陶瓷银层； ③压电陶瓷片引线

3实验步骤

(1)开启示波器电源开关,调节示波器各旋钮位置.

(2)把“Y轴衰减”旋钮调到1挡，“扫描范围”旋钮调到100挡.

(3)“Y增益”调到最大.

(4)将440 Hz音叉上压电陶瓷片两条电极引线分别与示波器的“Y输入”和“地”两个接线柱相连接.

(5)用手拿着440 Hz音叉B的根部,用力敲响音叉B,将振动着的音叉B靠近音叉A共鸣箱的开口处时，示波器荧光屏上出现简谐振动波形,用手按住音叉A的叉股,波形立刻消失,再用力敲响音叉B靠近音叉A的共鸣箱开口处,波形又出现，当把振动的音叉B远离共鸣箱开口处时，荧光屏上的简谐振动波形仍然显示着，而且这一显示的波形延续几十秒才能消失，其原因是：共鸣箱中的空气柱在音叉B产生的连续正弦声压的振动作用下，发生了受迫振动，当音叉B振动频率恰好与空气柱的固有振动频率重合时发生了共振，又因为空气柱和音叉A的固有频率相同，或其中一个是另一个作为声源的固有频率的整数倍，故最终音叉A与音叉B发生了共鸣现象.

(6)再取几个固有频率与音叉A不相同的音叉C(329.6 Hz)、D(523.2 Hz)，同样用手拿音叉C或D的根部,用力敲响音叉C或D,将振动着的音叉C或D靠近音叉A共鸣箱的开口处时，示波器荧光屏上显示的是一条直线，而并没有显示简谐振动波形,故最终音叉A和音叉C或D没有发生共鸣现象.

此装置，操作简单、现象生动、富有想象力、效果明显，对于培养学生善于使用示波器探究物理知识的能力很有帮助.