声波干涉现象“可视化”的实验探究

2017-03-30吴广国

物理教师 2017年3期

关键词：示波器声源声波

匡莉吴广国邹斌

(1. 北京景山学校,北京 100006; 2. 中央民族大学理学院,北京 100081)

声波干涉现象“可视化”的实验探究

匡莉1,2吴广国1邹斌2*

(1. 北京景山学校,北京 100006; 2. 中央民族大学理学院,北京 100081)

随着新课程改革的不断深入,物理教学中更加强调对学生核心素养的培养,教师应该着重培养学生的科学思维.本文以人教版高中物理教材中波的干涉知识为背景,以声波干涉为例,通过3个实验,将本来难以理解的纵波干涉现象直观地展示在学生面前,突破教材中没有声波干涉演示实验的局限性.本文涉及的3个实验,主要采用将声源一分为二的思想以及将声音信号转化为电信号的转化法来设计实验,化“无形”为“有形”,从定性和定量两个角度来验证声波干涉现象,从而提高学生对声波干涉现象的认识和理解.

科学思维;声波干涉;演示实验

1 问题的提出

新课程标准的改革方向一直强调学生要动手操作,能处理实际问题,要求培养学生的科学思维,使其科学思维达到一个新的高度.而随着新课程改革的不断深入,核心素养成为新课程改革深化的新目标,物理核心素养是学生经过物理学习后集中体现出的带有物理特征的品质.在物理核心知识、物理核心能力以及物理科学品质3个层次中,核心能力和科学品质才是物理核心素养中最具活性的部分.注重学生的科学思维要从培养学生如何思考、如何进行模型的建构,然后进行科学推理、科学论证、最后大胆提出质疑和创新几方面着手.通过对物理知识发生过程的重演,多方位培养学习物理的兴趣,让学生从感官上直接接收物理信息,深刻而具体的体验过程对学生进行模型的建构意义十分重大.[1-4]

人教版教材高中物理(选修3-4)在介绍波的干涉和衍射一节知识时,教材给出了水波干涉的插图,用水槽中水波的干涉演示实验来帮助学生从视觉上理解波的干涉现象.水面波实际上是一种既有横波成分又有纵波成分的复杂机械波,水波表面质点的运动是由纵向运动和横向运动合成的.但是横波在传播时,在外表上形成波峰和波谷的“起伏”状,与水波的形状极为相似,所以水波经常作为简谐横波的一种近似例子来向学生讲述,并且两列水波发生干涉时我们可以看到明显的加强点和减弱点,学生也很容易就能理解到横波加强减弱的原理.[5]但是,在随后讨论到声波也能发生干涉现象时,教材中并没有一个具体可观察的现象来呈现出声波的干涉现象.在学生的前概念中已经了解到声波是一种纵波以及机械波干涉加强点和干涉减弱点的条件.纵波中有疏部和密部,学生很难想象出疏部和密部是如何叠加的.这是在教学过程中经常出现的问题,学生很难体验到以声波为例的纵波干涉,更不要说让学生看到声波干涉现象了.[6]

基于此,本文改进设计了3个演示实验,通过具体、科学的实验让学生全面感知声波干涉现象.让学生先定性感知声波干涉现象,接着观察声波的干涉现象,定量测量干涉声波波长,最后定量描绘出声波干涉加强点的部分双曲线.通过这样3个演示实验,让学生认识波的干涉现象和波的干涉图样,从而深刻理解纵波的干涉现象.

2 声波干涉3个实验的设计

2.1 声波干涉现象的定性感知

干涉是波动所具有的一种现象,频率相同的两列波叠加时,某些区域的振幅加大,某些区域的振幅减小,这种现象叫做波的干涉的现象.但是波要发生明显干涉现象的必要条件是两列波源的频率必须相同,相位差必须保持不变.本实验从波干涉的必要条件出发,首先思考如何确定两个同频率,相位差恒定的声源.在实际实验中,很难找到两个完全同规格同参数的声源发生器,就算同规格参数的蜂鸣器也是存在一定误差.蜂鸣器内部的振荡电路发出一定频率的波长,为了减小实验的误差,经过思考与尝试后,确定了将声源一分为二的思想,只有当两个相干声源是来自同一个信号源时才能精确保证声波的干涉条件.基于将蜂鸣器作为声源一分为二的重要思想,实验内容设计如下.

实验的设计思路主要是:选择直径不同的两个PVC管道,将两个管道以U型管的方式对接联通,并且使对接后的两个管道能实现自由拉缩.在直径较小的U型管道两侧分别装上两个三通道接口,一个接口安装蜂鸣器并密封,另一个接口通道保持畅通以便于接收干涉声波.将蜂鸣器外接一个直流电源后,声音经过三通道的接口,达到将声源一分为二的效果,如图1和图2所示.

图1 定性感知声波干涉实物图

图2 定性感知声波干涉实验简化图

实验的特色:

(1) 通过右侧U型管的拉缩,实现波程差的改变,从而改变声音的强弱.伴随管道的伸缩,可以明显感知声波的加强和减弱.

(2) 实验成本低,制作简易,效果明显,携带演示十分便捷.

在课堂上演示这样的小实验,能让学生定性的感知声波干涉现象,激发学生探索声波干涉原理的兴趣.并且可通过引导,让学生做出如果确定实验中声波加强点,是否可以反过来定量推算干涉声波的波长的思考,从而进一步锻炼学生推理演算的能力.通过对声波干涉的定性感知,学生对声波干涉有了具体的认识,这对培养学生物理科学品质十分有意义.

2.2 声波干涉现象及声波波长的定量测量

本实验设计的出发点是要让学生观察到声波干涉现象.为了便于更准确找到干涉加强点以及实现可以观察的效果,我们采用转化法将声音信号转化成电信号,借助示波器便于测量、显示和观察.具体的实验设计内容如下:

(1) 功率输出信号源驱动两个可移动的喇叭装置.

在本实验中采用的声波发生源为两个相同型号的小喇叭,并且用同一个功率输出信号来驱动它们,同样也保证了相干声源的条件.并且将两个声源设计为可以在PVC管道上移动的效果,以实现改变波程差的目的,如图3所示.

图3 声波波长定量测量的小喇叭安装图

两个小喇叭分别固定于两根长PVC管道上可移动的短管道中,短管道一端留出喇叭外接线后密封,另外一端畅通保证声音向前传播不受阻碍,如图3所示.实验时,通过对其中一个声源装置的移动,从而改变两个声源向前传播到达固定干涉点的波程差.

(2) 拾音器接收声音信号,转化成电信号输入示波器.

拾音器是用来采集现场环境的声音,并且可以将音频放大转化为电信号的一种电声学仪器.实验中采用拾音器接受声音,其实际装置图如图4所示.

图4 声波波长定量测量的固定装置实物图

为了操作和演示的方便性,将实验的主要构成要素都焊接在一块长度约为1m的长方形木板上,侧面两根管道上的移动装置内分别已固定好两个声源,中间管道右侧的装置用于临时固定拾音器.在具体实验时,只需要将两个喇叭外接功率输出信号源,固定拾音器于中间管道右侧装置并外接电源和示波器.实验电路连通后,通过对其中一个声源的移动,在示波器上可明显观察到信号波峰的加强和减弱.另外,为了使功率输出信号源输出的信号更加稳定,便于示波器波形图的观察,实验将信号源先通过一个小型变压器后再驱动喇叭的振动.

(3) 通过声波干涉加强点位置的确定,定量推算声波波长.

在实验的固定装置中,木板的侧面装有刻度尺,如图3所示.由于两声源的初始位置是平行的,拾音器固定在右侧不动,所以声源移动造成的波程差可通过木板上的刻度尺确定,用波程差便可反过来推算声波的波长.需要注意的是,实验是将声源的波程差近似为声源相对另外一个声源移动的水平距离,这就要求声源的移动必须在小范围距离内才能作近似处理,否则误差过大,具体原理分析如下.

图5 声波波长定量测量原理图

S1,S2分别表示声源位置,P为拾音器所在位置,如图5所示.声音传播过程中,两声源干涉加强的波程差应满足:S1P-S2P=kλ.(k=0,±1,±2,…)

在实际实验中,当θ角度较小时,可将波程差近似处理为两声源相对水平距离.然后在移动声源的过程中,通过示波器显示波形图的加强减弱来确定干涉加强点的位置,读取水平方向固定的刻度尺的相应刻度,可直接读出波程差,进而达到定量计算声波波长的目的.图6给出了实际实验过程中干涉加强点声源的位置及对应的信号波形图.

图6

在定性感知的基础上我们继续设计了声波波长定量测量的实验,让学生不仅从听觉上感受声波干涉,还能观察到声波干涉的具体现象,从感官上直接给学生传达信息,还原物理情境,帮助学生完成模型的建构,并且根据声波干涉的加强减弱点反过来定量计算声波的波长.

2.3 声波干涉加强点双曲线的描绘

通过以上两个实验,学生对声波干涉现象有了较为直观深刻的认识.对于两个声源在空间中发生干涉时,加强点和减弱点的分布问题,我们也设计了相应的实验来检测两个相对声源之间发生干涉时加强点的位置,并在两声源之间进行扫描式找点,确定描绘出同一级加强点的部分双曲线.在此实验中同样也运用了一分为二找相干声源的方法以及将声音信号变为电信号的转化法.实验设计内容如下所述.

(1) 直流电给蜂鸣器供电,将声源信号一分为二.

同样利用PVC管将声源一分为二的方法,为了实验操作和演示的方便性,将声源装置固定于长方形木板背面,并在木板打出两个孔使得PVC的两个通道镶嵌在其中.木板的正面贴上白纸以便于实验过程中找点描线.实验装置如图7所示.

图7 绘制声波干涉加强点的实验装置图

(2) 拾音器接收声音信号传输到示波器,找出声音干涉加强点,定量描绘部分双曲线.

实验中蜂鸣器工作时外接6V的直流电,蜂鸣器内部振荡器频率为2.68kHz,产生声波波长为12.70cm的声音信号源.实验设定相干声源S1、S2之间的距离为2个波长,将拾音器输出信号接到示波器后,在白纸上通过多次水平扫描的方式找到声音加强点.寻找干涉加强点的方式以及部分双曲线的描绘如简图8所示.

图8 用拾音器进行信号扫描的示意图

图8画出用拾音器进行信号扫描的虚拟过程.值得注意的是在寻找干涉加强点的时候,拾音器并不是在整个白板的平面内随意扫描,而是有规律的在一侧以等间距的水平线为基准(图中虚线所示),在同一水平线上移动拾音器,通过示波器找出信号加强点,这样既避免干涉加强点遗漏,也能提高扫描的效率,有助于干涉加强点准确快速地确定.图中描绘的曲线为一级干涉加强点的部分双曲线,其中P点为一级干涉加强点中的一个,拾音器位于P点时显示的信号最强,往左或往右移动拾音器,会看到示波器上的波峰迅速降低.实验中实际测量S1P的距离为28.30cm,S2P的距离为15.80cm,即实验中计算出的波长为12.50cm,在误差允许的范围内,与声源的实际波长是吻合的,这也说明实验的误差小,实验装置设计合理.另外需要注意的是,在进行水平扫描时,不能在靠近声源的地方找加强点,因为在实际条件中靠近声源周围的位置,声音信号都是很强的,虽然从理论上来说确实存在干涉加强点,但在靠近声源的位置移动拾音器,拾音器所接受的都是较强的信号,示波器显示出的波形图变化不大,甚至几乎没有变化.只有在与声源有一定距离的范围内才能找到明显的加强点及减弱点.[7-8]

定量描绘声波干涉加强点部分双曲线的实验,将无形的声波干涉加强点以有形的方式呈现给学生,进一步实现了声波干涉现象的可视化.

3 实验的创新点和需要改进的地方

3个实验通过不同的设计方法,多方面的展现出声波干涉现象.在实际教学中,教师一般都只是通过列举实际生活中的一些现象来广泛地对声波干涉现象进行说明.这往往缺乏直观性,给学生留下很多疑惑.教材中以在操场上放置两个相同振动频率的扬声器,在操场上听到某些地方的声音大,某些地方的声音小为例来说明声波干涉现象.[9-10]这些例子对大多数学生来说并不熟悉,因为学生并没有切身体验过,如果要体验也会给课堂教学带来诸多不便.3个实验的设计突破了现行教材中没有声波干涉演示实验的缺陷,增加了教学的直观性、可靠性和方便性.本实验的创新点包括:

(1) 确定了将声源一分为二来找相干声源的思想和方法,产生两个频率相同、相位差恒定的声源.

(2) 通过实验装置实现声波波长的定量计算.

(3) 实验画出了声波干涉加强点双曲线,描绘出声波在空间中的干涉情况.

另外在后续的实验改进工作中,我们希望在仪器方面实现可连续改变频率和两声源间距的效果,以及更准确地测定出不同频率的声波波长和画出不同频率下的多条干涉曲线.

4 总结

本文设计的3个实验具备一定的可行性,经过整个实验的设计实践,学生对以声波为例的纵波会有一个更清晰地认识.首先通过听觉上接收到声音的增强和减弱,让学生切身感知到声波确实发生了干涉,从而深刻意识到干涉现象是波所具有的特性,而不用去死记硬背;对声波干涉现象的观察和对波长的反推计算定量验证了纵波干涉现象的确存在,最后定量画出干涉双曲线,化“无形”为“有形”,并且跟数学知识紧密结合.整个实验以数形结合的方式来验证声波干涉现象,使学生对机械波干涉的条件和干涉加强点和减弱点的条件有了更准确深入的认识.

课堂演示实验可以充分发挥学生的主动性,激发学生进行相关实验的设计开发.如果条件允许,最好能为学生提供实验场地,便于学生利用课余时间进行动手制作和亲自实践.通过对物理情境的还原和重演,为学生提供培养“科学思维”的有效途径.

致谢:感谢北京师范大学附属中学彭梦华老师在实验设计和制作过程中给予的指导和帮助.

1 彭前程. 积极探索基于核心素养理念下的物理教学[J]. 中学物理, 2016, 34(3):1-2.

2 朱英, 冯杰. 浅谈在物理教学中提升学生创新素养的有效途径[J]. 中学物理(初中版), 2011, 29(7):52-54.

3 冷冰冰. 高中物理课程标准的核心素养分析[J]. 教育导刊, 2015(8):49-52.

4 印晓明, 陈坤. 中美高中主流物理教材在“光学”部分内容呈现的差异与启示——基于培养学生科学领域内“核心素养”的视角[J]. 物理教师, 2016, 37(2):74-77.

5 韩海龙. 讲机械波慎以水波为例[J]. 物理通报, 2004(6):41-42.

6 李秀玲, 孙旭春. 声波干涉实验的设计与演示[J]. 物理通报, 2006(2):60-60.

7 李健. 一种观察声波干涉现象的方法[J]. 物理教师, 2006, 27(2):32-32.

8 关强虎. 论波源间距对形成干涉现象的影响——兼谈声波干涉实验[J]. 安庆师范学院学报(自然科学版), 2015(3):140-142.

9 潘友华. 声波干涉演示实验的探讨[J]. 物理实验, 2002, 22(3):33-35.

10 姜胜民. 对声波干涉实验的研究[J]. 教学仪器与实验, 2008(12):34-34.