横波纵波波动演示仪

杜 倩,代 伟,蒋金华，王 漫

(西华师范大学 物理与空间科学学院,四川 南充 637002)

在高中物理机械波学习中，波的形成和传播是课堂教学中的重点和难点，在教学中做好课堂演示实验可让学生直观感受波的形成与传播. 为了让学生更加直观地观察横波和纵波的产生以及传播情况，自制了横波纵波波动演示仪. 演示仪利用曲柄滑块机构将电机的旋转运动转变成直线往复运动，以此带动橡皮筋和圆柱形弹簧振动得到横驻波与纵驻波. 演示仪原理清晰，结构简单，操作方便，用于波动课堂教学演示能激发学生的好奇心和求知欲.

1 教材中手摇式波动演示仪器的不足

文献[1]对波的形成与传播的实验探究中，提供的实验演示装置如图1～2所示，该仪器具体操作方法是：握住手柄逆时针转动，直至所有振子排列均匀并整体振动时，即可顺时针旋转手柄，不断转动就会形成横波和纵波，横波一侧面对学生，学生便会观察到横波，纵波一侧面对学生，学生便会观察到纵波.

图1 横波演示器

图2 纵波演示器

手摇式横波、纵波演示仪器在课堂教学中存在一定不足：1)传统的手摇式波动演示器上的各质点是独立的，给学生建立的是不完整的物理模型；2)横波、纵波演示仪器只能分开进行演示，不能在同一个装置上同时展示出横波与纵波的形成与传播，教学演示时还需要2个装置；3)操作复杂繁琐，先要逆时针使所有振子排列均匀并整体振动时才能顺时针旋转观察波的情况.

2 自制波动演示仪

自制横波纵波波动演示装置如图3所示. 装置由木板、橡皮筋、圆柱形螺旋弹簧、直流调速电动机、曲柄滑块机构(结构如图4所示)、可调直流以及数字电压表等组成. 为了更好地测量出横波和纵波的波长，在横轴和纵轴木板上贴喷绘刻度尺. 演示横波时通过振子上下往复运动带动水平方向的橡皮筋上下振动，此时振动方向与波的传播方向垂直，调节橡皮筋的松紧和电机的转速，当调到某一值时便可在水平方向观察到横驻波，改变橡皮筋的松紧和电机的转速可改变横波的波长和振幅. 演示纵波时通过振子上下往复运动带动竖直方向的拉伸弹簧上下振动，此时振动方向与波的传播方向一致，调节弹簧的松紧和电机的转速，当调到某一值时便可在竖直方向观察到纵驻波，改变弹簧的松紧和电机的转速可改变纵波的波长和振幅. 在振子上安装共振片或共振圆环可演示共振现象.

图3 横波纵波波动演示仪

图4 曲柄滑块机构

3 仪器操作方法

1)横波的观察

演示横波时，首先将电压调节旋钮旋至最低再接通电源，同步调节电压和橡皮筋长度，直至看到清晰的横驻波图像，如图5所示. 继续增大电压，波的个数也会增加，根据相邻2个波节或波腹间水平方向的距离相差半个波长，在横波上找出2个相邻波节或波腹，就可算出该横波的波长.通过演示仪学生可看到横波的形成与传播过程.

图5 横波图像

2)纵波、共振的观察

和横波观察操作类似，调整轻质弹簧长度的同时改变电机电压，直至清晰的纵波出现，现象如图6所示. 继续增大电压，波的个数就会增加. 通过振动图像看到振动密处是波腹，振动疏处是波节，波腹到波腹的距离是半个波长，进而知道波长. 通过演示仪学生可看到纵波的形成与传播过程.

图6 纵波图像

将共振条或共振圈装在振子上，当振子振动时，调节电机转速，当电机转速为某一值时就会观察到共振现象.

4 教具在物理教学中的作用

观察和实验是学习物理的基础，也是物理教学的重要手段. 利用教具开展物理教学对学生的感性知识的形成，以及学生观察能力的培养具有独特的作用，同时也是物理教学的重要手段.自制横波纵波波动演示仪在物理教学过程中发挥以下作用：a.给学生提供丰富的感性材料，加深学生对横波、纵波的形成和2种波的特点的理解；b.有针对性设计制作教具，演示波动现象，创设物理情境，能激发学生学习兴趣，培养学生的创新思维能力和动手能力.

5 教具创新之处

横波纵波波动演示仪是对传统横波、纵波演示仪器的不足的改进，此装置巧妙地利用曲柄滑块机构将电机的旋转运动变为振子的上下往复运动，通过调节电机的电压就可调节振子的频率，装置结构简单，操作简单，得到的横波、纵波图像完整、稳定，便于学生观察. 通过对比加深学生对横波、纵波的理解与记忆，而且通过此教具使学生对受迫振动也会有更深的认识.

[1] 陈熙谋，吴祖仁. 普通高中课程标准实验教科书物理(选修3-4)[M]. 北京：北京科学出版社，2006：22-24.

[2] 孙荣恪，颜建厦，周庆龙. 利用废旧吸管自制波动演示器[J]. 中国现代教育装备，2015(2)：37-39.

[3] 庞小梅,彭懿. 自制横波演示仪[J]. 中学物理(高中版),2016，34(1)：42.

[4] 李阳，王宏，韩艳玲. 横波演示仪的设计与制作[J]. 物理通报,2015(9):68-69.