1、关于波的四个实验 （乌鲁木齐八一中学，新疆 乌鲁木齐 ）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，相比以往的实验方法有较大改善。2 探讨2.1 声波的干涉
2、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。麦克风笔记本电脑音箱音箱图1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
3、软件很多，笔者建议用软件Audio SweepGen产生音频信号，用软件MultiInstrument5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MultiInstrument含有的“示波器”组件显示声波的强弱。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
4、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，此演示效果颇佳，且该装置简单易制。简介如下。213图2 -1 发声球图2-2 发声球实物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
5、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
6、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。1323图32.2.2 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打开软件MultiInstrument，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。图43手持竹竿移动蜂鸣器，使蜂鸣
7、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。2.3 对水波衍射插图的商榷图510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。图52.4 两种关于干涉教具的设计
8、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效果。该教具制作过程如下：甲乙丙图61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。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
9、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。图7光源照射的光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。图8薄膜的一个界面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。图9薄膜的一个界面 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。4教师讲授：一部分光（胶片甲所示）进
10、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。图10薄膜的界面反射光我们看到：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。图11薄膜的界面反射光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：增透膜的厚度干涉条纹的明、暗规律笔者采用上述教
11、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13.4-713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
12、视图，还是剖面图或者是立体图，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13图12图14向上拉动，即可画线。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4.5c
13、m、5.0cm、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“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。