波动振动动态演示仪的创新设计

乔晓午 张 静

一、选题背景

在讲授人教版高中物理选修3-4《质点的振动》和《机械波》两部分知识时，学生对质点振动图像和波在介质中传播的波动图像产生混淆。振动图像和波动图像从图形上看很相似，但实际上它们有本质的区别。

(1)物理意义不同：振动图像表示同一质点在不同时刻的位移，波动图像表示介质中的各个质点在同一时刻的位移。

(2)图像的横坐标的单位不同：振动图像的横坐标表示时间，波动图像的横坐标表示距离。

(3)从振动图像上可以读出振幅和周期，从波动图像上可以读出振幅和波长。

在常规教学中经常用到列表法使学生比较学习波动图像与振动图像的区别与联系(如图1所示)。但是该方法的不足之处是学生不能直观地感受波动和振动图像的动态变化规律，尤其是学生在解决时间变化时，波动和振动两个图像的变化问题，学生不容易画出正确的变化后的图像形状。

图1 波动图像与振动图像的区别与联系

再如，学生解决两种图像随时间变化的问题有较大难度(如图2所示)。因此萌生了制作一个可以动态展示波动和振动图像的教具的想法。

图2

二、基本思路

1.思路

通过对波动中常见的问题进行汇总和思考，得出了最终要做一个波动振动同步变化又能分开展示的教学仪器的目标。于是查阅了相关书籍和网上的参考资料，又向高级教师咨询了相关专业知识，最终确定了研究的思路和方向：设计方案，绘出图纸，准备材料，制作完成，进行验证，探究使用。确定项目后，就开始着手做各种准备。

2.设计方案

由于质点的振动图像和机械波的波动图像在形状上具有相似性，因此用同一个正弦图像表示振动和波动。为了达到同步效果，两个图像显示采用共轴转动原理。根据振动和波动的动态变化特点，选择使用错位遮挡法区别图像。

变化规律的不同。考虑到学生接受能力弱的特点，首先初步分开演示，然后再同步比较演示，所以设计了遮幕实现分开展示的效果。

为了突出波源振子的振动，设计了放大管突出波源运动，可以使学生更容易理解波源在波传播过程中的波动和振源振动之间的关系。

结构设计示意图如图3～5所示。

图3

图4

图5

三、使用的材料

废弃门框1个，铝塑板2块，转轴2根，喷绘幕布1条，调速电机1台，有机玻璃管1根。

四、制作方法

将各种准备好的材料收集起来开始制作，制作的具体实施步骤：依据项目的制作原理，构思演示仪的轮廓和结构；根据演示仪的轮廓和结构，绘制草图；准备所需的材料、器材和工具。

制作探究仪的具体步骤如下。

框架的制作：框架采用了木质材料制作而成。选择合适的尺寸切割，再把框两边的中部掏一个长方形的空槽用来安装和固定前后的铝塑板。

幕布的制作：量好铝塑板上开口的尺寸，将幕布需要裁剪的部分进行剔除，并将幕布首尾相接，做成闭合的传送履带。

传动轴的安装：将轴承架用长螺丝固定在框架上(注意两个轴要平行)，将轴缠上橡皮膏防止打滑，然后安装到轴承架上。

放大管的制作：将一个有机玻璃管选择合适的长度裁剪，在管中加满水并将两头用橡胶塞密封。为了便于安装，在放大管两端加装粘连，便于在前显示板固定和拆卸。

最后调试：调节变速开关，使电机运行速度快慢适中，检查遮布的遮光效果和中间幕布的转动情况。

制作过程：在学校创新实验室将各种部件材料组装制作成最终的仪器。

五、作品结构实物图及使用

实物图如图6～9所示。

图6

图7

图8

图9

使用方法。首先将放大管固定好，并将要演示的窗口上的遮布取下，接通电源；打开电机开关，调节转速使幕布以适当的速度匀速转动，在窗口处展示动态图像；转换遮挡窗口，进行下一个图像的展示；根据需要进行两个图像的同步动态展示，并在适当位置关闭开关暂停，让学生观察瞬时状态。

六、创新点

可以演示质点简谐振动过程，动态演示简谐振动时位移—时间图像的描绘过程，演示波动的传播过程，观察振源振动和波动传播的关系，演示振源振动和波动传播随时间变化时的动态规律。现象明显、安全可行，能将振动波动图像进行分开和同时动态展示，也可以随时暂停对学生进行即时讲解。使用简单，操作方便，原理准确，科学环保。

七、结语

在实验教学中，随时注意观察生活，用发现的眼睛和智慧的双手、发现、制作。这样能够发明创造出各式各样、新奇独特的教具，给教学带来意想不到的妙处。创新教具在素质教育实施的今天，能够照亮发明创造征程。