一种演示声波干涉的方法-乌鲁木齐八一中学.pdf

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1、1 关于波的四个实验 王振环 （乌鲁木齐八一中学，新疆乌鲁木齐830002 ） 摘要：本文探讨了高中物理教材涉及到的波的四个实验，提出了问题，并给出了解决问题的 方法。 关键词：波干涉多普勒效应实验 1 引言 笔者在对高中物理的教学研究中发现，与波有关的部分实验难以演示，或者传统 方法效果不佳，还发现波中的部分知识点难以表述清楚，本文给出了普通高中物理课 程标准实验教科书 1 (以下简称教科书 )中提及的声波的干涉实验、蜂鸣器音调的变化 的实验方法；提出了对教科书中关于水波衍射插图的商榷；介绍了两种关于干涉的教 具的设计方案，并说明了演示过程。 本文涉及的教具有效突破了教学难点，相比以往的实验

2、方法有较大改善。 2 探讨 2.1 声波的干涉实验 在波的干涉 2 一节中，建议做一做声音的干涉实验。该实验的常规方法是这 样的 3 ：用信号发生器发出某一频率的交变电流，再通过功放输出到扬声器，然后， 用麦克风接收， 在示波器上显示波的强度变化， 从而显示出声波叠加后的强、 弱分布。 利用现代化手段演示该实验所需的器材大大减少，还可以通过投影设备展现波 形。原理如下： 用软件发出某一频率的声波 4 ，通过与电脑连接的有源音箱发出该声波。 把麦克风和电脑相连， 用麦克风接收声波， 再利用软件显示该声波， 此波形可 反映波的强度变化。 利用投影设备以增强可视性。 从上述原理可知，用有源音箱、麦克

3、风、多媒体设 备和相应的软件就能演示声波的干涉。能实现上述功能的 软件很多，笔者建议用软件Audio SweepGen产生音频信 麦克风 笔记本电脑 音 箱 音 箱 图 1 2 号，用软件Multi Instrument 5 分析声波的强弱。这两个软件很容易上手，所以本文 不赘述软件的使用方法和具体演示过程，而给出该实验的5 个技巧： 授课教师和主要装置的位置如图1 所示。 2声波以选用 7001200Hz的正弦音频为宜。 3把麦克风固定到一个长约1.5m 的竹竿上，教师手持竹竿移动麦克风。 4两个音箱的距离大约是60 厘米。 5用软件 Multi Instrument含有的“示波器”组件显示

4、声波的强弱。 虽然有文献 6 介绍过类似的方法 ，但是笔者介绍的软件更易上手，波形粗细、比 例均可调整，界面整洁且可缩放 7 ，所以更适合教学演示。 2.2 蜂鸣器的音调变化实验 2.2.1 方式 1 在多普勒效应 8 中有个演示实验蜂鸣器的音调变化，笔者按照教科书中 介绍的方法演示该实验，发现实验效果并不理想：有较多的学生可以听出来音调确实 是变化了，但是，由于蜂鸣器运动的时间短、速度不够大等原因人耳不易发现音调究 竟是如何变化的。笔者曾尝试用多种方法“挥舞”竹竿，但多数学生仍然反映“能 听出变，但是听不出怎么变” ，于是笔者用弹弓把蜂鸣器发射出去以增大速度，且用 一根钢丝约束蜂鸣器的运动，

5、此演示效果颇佳，且该装置简单易制。简介如下。 首先制作一个能被发射出去的声源，笔者称其为“发声球”，原理见图 2-1。1 是 有源蜂鸣器， 2 是纽扣电池，它利用蜂鸣器的引脚为蜂鸣器提供电能，3 是蜂鸣器上 粘接的一个铁丝环。 准备少许海绵和一根长约10 米、直径约 1mm的细钢丝。 演示该实验的基本方法：把细钢丝穿过发声球，即穿过钢丝环3，请两位同学在 教室前后拉紧细钢丝，然后，教师用弹弓发射发声球，在钢丝的约束下，蜂鸣器沿着 直线快速运动。 制作此教具的注意事项有： 先用绝缘胶带包住蜂鸣器和纽扣电池，然后用“哥俩好” 胶把发声球包裹成一 2 1 3 图 2 -1 发声球 图 2-2 发声球

6、实物 3 个外部坚硬的球形体，并引出作为开关的引线，注意不要让胶堵塞蜂鸣器的扬声孔。 2在细钢丝的末端放置少许海绵条，以免高速运动的发声球伤及拉钢丝的学生 并且可以保护发声球不被撞坏。 3约束发声球运动的线宜用钢丝，不宜用铁丝（铁丝易折，不易拉直），也不宜 用表面是凸凹不平的钢丝索。 4钢丝的两端可能很尖锐，一定要妥善处理，比如用胶带包裹，这样即防止钢 丝末端伤人又便于学生抓握。 整体装置见下图 （演示所需的弹弓未画出） 。1是钢丝， 2是发声球， 钢丝穿过发 声球上的铁丝环， 3 是海绵条。 2.2.2 方式 2 笔者再给出一种演示多普勒效应的方案，此法可以直观发现声波的频率发生变 化： 1

7、打开软件Multi Instrument，并运行其中的“频谱分析仪”组件，该组件横 轴表示频率，纵轴表示频率的强度。 2让固定在竹竿末端的蜂鸣器发声，在频谱分析仪中可以看出蜂鸣器的发声频 率，将横轴放大，并把图象的线条宽度调粗，如图4 所示。 3手持竹竿移动蜂鸣器，使蜂鸣器靠近（远离）电脑上的麦克风，可以看到图 象右移（左移），即接收频率变大（小） 。 此演示方法与以往的多媒体演示法 9 相比，具有设备简单、效果直观等优点。 图 4 1 3 2 3 图 3 4 2.3 对水波衍射插图的商榷 图 5 10 是教科书中展示波长不同的水波通过宽度一定的狭缝的一组照片，笔者认 为这三张照片作为一组是有

8、待商榷的，理由如下。 同一个波在通过狭缝衍射时， 狭缝宽度变小， 衍射的面积增大， 但通过狭缝的能 量减小，表现为振幅变小。 而教科书所采用的这组照片， 容易让学生得到错误的看法： 狭缝越小，衍射后的能量越大。 笔者建议对该组实验采用波长不同， 而振幅基本相同的水波来做， 重新拍摄照片， 以使照片不容易让学生产生误解。 2.4 两种关于干涉教具的设计方案及演示过程 2.4.1 方式 1 在光波干涉的习题教学中， 笔者发现教师不易向学生表述清楚这个问题：增透膜 干涉中波长、薄膜的厚度、条纹亮暗有什么关系，笔者制作了一个教具，把光波比拟 成绳波，以此教具让学生探究了这三者的关系，取得了非常好的教学

9、效果。该教具制 作过程如下： 1按图 6 所示比例，用白色的油漆在三片透明胶片上画出甲、乙、丙图形（不 含细虚线）。胶片甲前留的空白长度为一个波长，胶片丙为粗的虚线。该胶片可以用 投影仪所用的胶片拼接。 图 5 甲 乙丙 图 6 5 图 7 光源照射的光 2用美工刀沿图6 所示的虚线（、）把胶片割开，再用透明胶带 粘接割开的虚线，注意：透明胶带要贴在胶片的正面。 演示方法： 1用小磁铁把胶片甲、乙固定在黑板上，两张胶片的左端对齐，且乙在甲的上 层，如图 7 所示。教师解说：这代表光源发出的一束光波，简单起见，我们让这光波 为单色光。 2，教师讲授：如果光照射到增透膜的表面，会发生反射。然后，教

10、师把胶片乙 沿着割痕对折，以代表光在界面发生了反射，对折后的图象就代表反射光。如图8 所示。 想必读者此时也明白了为什么要在折痕处割开、为什么用透明胶带贴在割痕的正 面。 3教师讲授：因为我们研究的是反射的光波，为了不让光源发出的光干扰视线， 我们只观察反射的光线。 教师把胶片乙取下， 换成胶片丙， 胶片丙取代了胶片乙中的反射光，即第一次 反射后的光波。如图9 所示。 图 8 薄膜的一个界面 图 9 薄膜的一个界面 6 4教师讲授：一部分光（胶片甲所示）进入增透膜，并在第二个界面发生反射， 如果增透膜的厚度为波长的四分之一，那么，光波会这样反射：教师把甲胶片沿着割 痕对折，并强调此时增透膜的厚

11、度为波长的四分之一，如图10 所示。教师可以慢 动作演示 2 遍。 我们看到：两列反射光峰、谷叠加，形成暗条纹。 5教师讲授：如果增透膜的厚度为波长的二分之一，光波则会这样反射：教师 把甲胶片沿着割痕对折，并强调此时增透膜的厚度为波长的二分之一，如图11 所 示。教师可以慢动作演示2 遍。 我们看到：两列反射光峰、峰叠加，形成明条纹。 6教师按照上述方式，让增透膜的厚度逐级增加，请学生填写下表： 增透膜的厚度 442434445 干涉条纹的明、 暗 规律 笔者采用上述教具及探究的教学过程，突破了该类习题的难点，调动了学生探究 的积极性。虽然该教具对光反射的模拟和实际情况并不完全相同，且增透膜干

12、涉和肥 皂膜干涉在明、暗的顺序上相反 11 ，但是，该教具及探究过程对于理解“等厚线”等 4 图 10 薄膜的界面 反射光 2 图 11 薄膜的界面反射光 7 问题是有益的，例如教科书第59 页第 4 题就涉及：等厚线以及薄膜干涉中相邻两亮 条中心处薄膜的厚度差是多少的问题。 此教具无法模拟薄膜介质中波长发生了变化，关于此知识点教师还须向学生讲 解。 2.4.2 方式 2 光的颜色色散 12 介绍了用干涉法检查平面的平整程度的知识，并且结合教 科书中插图 13.4-7 13 提出了问题：弯曲的干涉条纹说明被检查的平面在此处是凹下还 是凸出？这个问题教师很难讲授清楚，无论是画俯视图，还是剖面图或

13、者是立体图， 总是无法完美地讲解这个难点。笔者制作了下述教具，解决了该难点。教具的主要结 构是这样的。 图 12 为剖面图，下板模拟被检查平面，其为有凸凹形状的塑料板（用火稍烘烤 塑料板，再用手指轻摁， 摁出一个半径约 3cm，与下板平面高度差约5mm的突起（凹 坑）即可。） ，下板长 30cm，板宽约 20cm，左、右支撑板高度分别为4cm 和 10cm。 上板模拟样板，其为透明的有机塑料板。完成上述制作后，用两支架固定该装置，以 使其能竖立在桌面上。 还须制作描绘等厚线的笔11支（如图 13 所示） ： 以长约 30cm的粗铁丝做细杆，把细杆和记号笔垂直粘 接，笔高分别为 4.5cm、5.

14、0cm、9.5cm，笔者曾尝 试制作高度可调的笔，因加工难度较大遂放弃。 演示之前，学生已初步懂得薄膜干涉条纹实际上 是等厚线，教师要介绍板的结构以使学生明确模拟的 内容。然后，将此板竖立（如图14 所示） ，且“样板” 面向学生，先用4.5cm 高的记号笔插入两板之间画等 图 12 图 13 图 14 向上拉动， 即可画线。 8 厚线，画的时候使笔垂直于“被检查平面”且紧密接触“样板”。画完 4.5cm 等厚线 后，再换 5.0cm 的记号笔因为笔既要垂直 “被检查平面”，又要紧密接触 “样板” ， 所以笔在遇到突起（凹坑）时，笔迹会发生弯曲。 上述操作过程可以展现等厚线的产生过程，把抽象的

15、“等倾干涉图样”化为形象 的等厚线，并模拟其得出的基本原理。 演示完毕后，笔迹可以用有机溶剂清洗干净。 3 结语 物理是一门以实验为基础的学科。恰当的演示实验，使学生具有了生动、具体的 表象，使抽象的概念不再是“悬”在空中，而是有了具体可以感知的实验的支撑，学 习的理解、记忆就会更迅速、更牢固，本文涉及的实验研究则以此为基础，选用合适 的教法，充分做到认知过程与情意过程的协同，从而创造性的突破教学难点。 参考文献： 1 人民教育出版社课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心普通高中课程 标准实验教科书物理（ 34） M 北京：人民教育出版社，2007（第 2 版） 2 人民教育出版社课程教材研

16、究所，物理课程教材研究开发中心普通高中课程 标准实验教科书物理 （34） M 北京：人民教育出版社， 2007 （第 2版） 40 3 李秀玲，等声波干涉实验的设计与演示 J 物理通报， 2006（2） ：60 4 利用声卡发出是交变电信号，为方便理解，此处写成“声波”。 5 Multi-Instrument （万用仪）是由 VIRTINS TECHNOLOGY （虚仪科技）推出的 一款功能强大的基于个人电脑的虚拟仪器。它可实现实时信号采集、 分析和显示。 6 余志勇用电脑探究声波的干涉 J 中学物理教学参考 2007 (9) ：57 7 该软件的界面可参考图4. 8 人民教育出版社课程教材研

17、究所，物理课程教材研究开发中心普通高中课程标 准实验教科书物理（ 34） M 北京：人民教育出版社，2007（第 2 版） 41 9 姜洪喜 , 等声波多普勒效应演示实验 J 物理实验 2006 (9) ：36 10 人民教育出版社课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心普通高中课程 标准实验教科书物理 （34） M 北京：人民教育出版社， 2007 （第 2版） 37 11 钟继芳薄膜干涉的若干问题探讨 J 物理通报 2008 (2) ：11 12 .13人民教育出版社课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心普通高 9 中课程标准实验教科书物理（34） M 北京：人民教育出版社， 2007（第 2 版） 58 14 孙明西明显感受到多普勒效应现象的条件分析 J 物理教学探讨 2007 （7 上半月） ：19 15 梁旭 中学物理教学艺术研究杭州： 浙江大学出版社 2005 （第一版）