基于声振动的机械波干涉与衍射实验

杨万琴,汪成瑞,张轶炳

(宁夏大学 物理与电子电气工程学院，宁夏 银川 750021)

在高中物理教学中，有关机械波干涉与衍射的实验相对较少，本文应用手机FrequencySoundGenerator软件提供单频率声波，通过音响将声波振动放大，引起水槽中水波的振动，让机械波的干涉与衍射可视化.

1 实验装置设计

演示机械波干涉与衍射实验的实验装置图如图1所示.

(a)示意图

(b)实物图图1 实验装置

1.1 制作材料

水槽，音响，台灯，摄像头，较轻的铁轨道，小木板2块，小木棒2根，纽扣型强磁铁2块，螺母2只，胶水，梯形玻璃砖2块.

1.2 实验仪器制作过程

1)在小木棒的一端固定1块纽扣型强磁铁(组成小振锤)，并使其可以吸附在铁轨上，另一端固定1只螺母.

2)准备2套音响，每套只留其中1个，用小木棒将音响喇叭与轨道用胶水粘在一起.

3)找透明的水槽，将其侧面用黑色防水胶带包裹起来，确保侧边不漏光.

4)准备大小适合的LED台灯，调整台灯亮度和角度，使其尽可能照到整个水槽.

5)用手机FrequenceSoundGenerator软件播放单频率的声波，声波使音响喇叭振动，而音响喇叭带动振锤振动，产生2列同频率的水波，进而观察干涉现象.

6)将2块梯形玻璃砖并列放到水槽中，形成单缝，将振锤接入水槽中，观察水波通过单缝时发生的衍射现象.

7)为使实验现象更加明显，可以将水波图样投影到屏幕上进行观察，同时调整摄像头的位置，避免反光，使得条纹最明显.

2 实验操作及现象分析

2.1 衍射现象演示

向水槽中加入适量水，在连接音响的轨道中插入振锤，用2块玻璃砖排摆放成单缝，输入频率为15Hz声音，即可观察到如图2所示水波单缝衍射现象.

图2 水波衍射图

2.2 干涉现象演示

在演示干涉现象时，应用1套音响连接2个振锤，然后用手机FrequencySoundGenerator软件输入15Hz声音，由此可以观察到的水波干涉现象，如图3所示.

图3 同频率水波干涉图

2.3 干涉条件验证

2列机械波要发生干涉，必须满足频率相同、振动方向一致、相位差恒定的条件，由于水波的波长较大，很容易实现相位差恒定，因此该实验设计中对其不进行考虑，只对频率和振动方向2个条件进行验证.

1)验证机械波干涉与频率的关系

为验证只有频率相同的2列声波才可以发生干涉，故左边音响输入15Hz声音，右边音响输入30Hz声音，观察实验波形如图4所示.

图4 不同频率水波干涉图

与同频率的水波干涉图样(图3)相比较，不同频率的水波干涉图样振动缺乏规律性，没有明显的振动加强区和振动减弱区. 因此可以验证，只有满足振动频率相同的2列波才能发生干涉，不同频率的2列水波相遇时只是简单非相干叠加，从而引起水面的无规律扰动.

2)干涉叠加区的确定

干涉现象主要分布在2个振源的连线的中垂线上及中垂线两侧，因此在该区域2列波的振动方向是一致. 用对应的方法找出实际波形图中的振动加强区和减弱区(图5).

图5 振动叠加区分布图

通过观察可以看出，实际干涉图样中，振动加强区和减弱区也分布在振源间连线的中垂线上及其两侧，因此在实验过程中选择该区域为观察区.

3 结束语

该实验借助声源振动演示机械波干涉与衍射现象，不仅改进了该实验，也启发了中学物理教师的创新思维，物理教师不仅应该从物理知识上懂得物理实验，物理操作技能上达到会做物理实验，更应具有研究物理实验的能力.

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