波的干涉實驗及振源設計

編輯: 逍遙路 關鍵詞: 初中物理 來源: 高中學習網(wǎng)

對學生來說, 雖然在日常生活中時常能遇到一些的波的干涉現(xiàn)象,但由于波的干涉過程并不容易觀察和理解,上課前學生們幾乎沒有關于波的干涉現(xiàn)象的預備知識,通常需要教師在課堂上利用演示實驗,讓學生在課堂上觀察到波的干涉現(xiàn)象,產(chǎn)生相應的感性認識。

然而, 波的干涉實驗是一種較為難做的實驗,再加上許多學校中波的干涉實驗的器材性能較差,因此實驗效果并不理想。筆者在多年的教學實踐中, 改進了實驗儀器, 總結出了幾種關于波的干涉現(xiàn)象的實驗方案,取得了較好的效果。現(xiàn)介紹給大家。

1 干涉實驗中振源的改進

1.1 用示振音叉作振源

在波的干涉實驗中可以用示振音叉做振源進行實驗。示振音叉是一種振動頻率很低, 振幅很大的音叉,它的主要作用是用來演示機械振動的。此種音叉一般學校中少有,但可以自制。找一塊長約80cm,寬約3cm,厚約3mm 的彈簧鋼板,先把中間鉆一個孔,然后從中間彎曲成一個U字形音叉,兩根叉腿之間的間距約5cm, 再在中間孔上用螺釘裝一手柄,即制成了一個示振音叉。

用示振音叉作振源演示波的干涉時,先在音叉的一個叉腿上裝一個雙叉形觸針,把音叉振動起來后,用這個觸針觸及水槽中的水面,即可激起兩列水波,形成干涉。

用示音叉作振源演示波的干涉,方法簡單,使用方便,容易攜帶,效果較好。但也存在一些缺點需要克服,一是振動時間稍短,二是觸針觸及水面時高度不易掌握。

1.2 用氣流作為發(fā)波水槽的振源

許多學校都有演示波的干涉現(xiàn)象的發(fā)波水槽,它是在水槽上面安裝一個雙叉形的觸針, 利用機械振動方法, 讓觸針打擊水面產(chǎn)生兩列水波,從而形成干涉現(xiàn)象的。用發(fā)波水槽演示水波干涉現(xiàn)象有幾個顯著缺點:一是整個裝置振動過大,會產(chǎn)生許多雜波、二是觸針打擊水面時容易濺起小水珠, 水珠落入水槽內(nèi)時也形成雜波、三是用毛玻璃作觀察屏產(chǎn)生的圖像不清晰, 因此,往往很難取得好的實驗效果。

為克服發(fā)波水槽的上述缺點,筆者曾試用氣流代替機械觸針產(chǎn)生水波,效果較好。其方法是,找兩個一次性輸液針頭,將兩針頭相距約20mm的距離并列固定起來,把兩輸液針頭另一端的兩根管子并在一起, 接到一根軟橡膠管上,再與一個小型氣源或皮老虎的吹氣相連,開動氣源或按動皮老虎,兩個針孔就能吹出氣來。

把這兩個并列的針頭置于發(fā)波水槽一端的一水面上, 調(diào)整好高度和氣流大小, 就可以在水面上吹起兩列水波, 形成水波的干涉。這種方法克服了發(fā)波水槽的振動和濺落水珠的兩個缺點,實驗效果大大提高。

1.3 在投影儀上做演示實驗

用前述方法改進發(fā)波水槽實驗,雖然能克服發(fā)波水槽機械振動和濺落水珠的缺點,但仍有通過毛玻璃觀察屏觀察效果不佳的缺點,要徹底克服發(fā)波水槽的缺點,可以利用投影儀做波的干涉實驗。

其方法是,將一個深約5cm的淺水槽置于投影儀上,調(diào)好投影儀的焦距, 把水槽的圖像清晰地投影到屏幕上。然后再用前述方法制成的針頭置于水槽一端, 讓氣流在水槽中吹出兩列水波,這樣,形成的干涉紋樣就可以清晰地投影到屏幕上,便于學生觀察。由于取消了觸針擊打水面的振動裝置,使這種投影方法變得可行。

1.4 課外在浴盆中做干涉實驗

這是一種引導學生自己動手做實驗的方法,F(xiàn)在,住在城市的家庭中, 大多都有洗澡用的浴盆,利用浴盆,也能做干涉實驗。

在浴盆的上方點一只較亮的燈泡,往浴盆中灌入半盆清水(水要深一些, 在20cm 以上, 這樣效果更好),伸出一只手, 將食指和中指伸開,讓兩指尖相距約5cm,其余三指握起來。把伸開的兩只手指置于浴盆一端的水面上,兩指同時輕輕敲擊水面,就可激起兩列水波,這兩列水波在水面上形成干涉。透過水面,觀察水底,可看到在盆底形成了一簇明暗相間的干涉條紋。

做這實驗的關鍵是調(diào)整好擊打水面的頻率和擊打深度,頻率一般約為5Hz,深度以剛觸及水面為宜。若家中沒有浴盆,也可以用一個較大的洗衣盆、洗臉盆等。為便于觀察,最好在盆底涂一層白色油漆,或者在盆底放一張白色平整的紙或塑料薄膜,效果也不錯。

2 用音叉做聲波的干涉實驗

將音叉敲擊振動后, 兩根叉腿作為兩個振源,激起兩列頻率相同的聲波,也能形成干涉,若轉動音叉,就能聽到振動聲音的強弱變化,顯示出聲波干涉的效果。用這種方法演示聲波干涉時,其音量過小,效果并不佳。為克服此缺點,絕大多數(shù)教師都會用擴音器對聲音進行放大。即使如此,有時也很難達到理想的實驗效果。

筆者在用這種方法做實驗時,并非直接用擴音器上的話筒對著音叉進行擴音,而是用一個微型話筒,把它用不干膠帶粘到音叉共鳴箱的底部,然后用軟導線把話筒與擴音器相連。

實驗時,把音叉置于共鳴箱前部,轉動音叉,引起共鳴箱振動, 話筒撿拾到共鳴箱的振動后,生成電訊號, 送入擴音器放大。這種方法比直接用擴音器效果明顯,即便是音叉的振動已經(jīng)很微弱了,也能通過擴音器放出聲音來,持續(xù)的時間也較長。

筆者介紹的幾種關于波的干涉現(xiàn)象的實驗方案,各有優(yōu)劣,在此只是起到拋磚引玉的作用,供廣大同仁參考磋商,以利共同提高。


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