两列同方向同频率波叠加的演示实验*

姚 洁 翁 华

(1.南京师范大学物理科学与技术学院，江苏 南京 210023；2.江苏省南京市外国语学校，江苏 南京 210000)

两列同方向同频率波叠加的演示实验*

姚 洁1翁 华2

(1.南京师范大学物理科学与技术学院，江苏 南京 210023；2.江苏省南京市外国语学校，江苏 南京 210000)

笔者利用声速测定仪产生两列同方向同频率并且相位差连续可调的波，利用双踪示波器将这两列波以及它们的叠加结果清晰地呈现出来，生动形象的实验现象有助于学生理解和掌握波叠加的知识。

波的叠加；声速测定仪；双踪示波器

1 引言

波的干涉现象存在于生产生活实践的各个方面，它可以是横波的干涉，也可以是纵波的干涉；可以是电磁波的干涉，也可以是机械波的干涉。深入理解并掌握波的干涉条件和现象，对于学生认识事物的物理本质，培养物理学科核心素养具有重要意义。理解波的干涉，关键是掌握波的叠加原理。由于学生对三角函数的数学知识不太熟练，对于两列同方向同频率的波叠加以后的结果，往往从形式上进行记忆，而课堂上教师除了运用公式说明现象外，常常借助图像或由特定软件制作的动画来帮助学生理解波叠加的特点。这可以起到一定效果，但物理是一门实验科学，纯粹靠软件显然是不够的。本文提出：可以采用声速测定仪配合双踪示波器来演示两列波的叠加，通过各种实验现象将波的叠加结果具体表现出来。

2 实验设计

在如图1所示的实验装置中，声速测定仪由声波信号源和实验架两部分构成。实验架上的S1和S2为压电陶瓷换能器，实现电信号和声信号的相互转化。S1为发射端，固定不动，S2为接收端，可通过右方转轮调节位置。示波器采用通用的双踪示波器，声波信号源的S1端输出电信号至实验架的发射端S1，同样的信号经过CH1端送入示波器通道1进行输出。声波信号源的S2端接收实验架上接收端S2的电信号，经过CH2端送入示波器通道2进行输出。

图1

2.1 显示发射端和接收端两列同方向同频率的波

采用双踪示波器的两个通道分别接入发射端和接收端的两路信号，扫描激发信号选择发射端信号，在屏幕上同时显示两路信号。旋动实验架右方转轮，调节接收器的位置，可以发现发射端信号在屏幕上固定不变，接收端信号波形随转轮位置的不同发生变化，两者的相位差φ随两者间距离作周期变化，可在360°范围内连续调节(如图2)。

图2

2.2 演示两列波的同相叠加和反相叠加

调节接收端位置，使接收端信号与发射端信号同相。调整接收端通道的增益档位和连续衰减因子，使两路信号图形完全重合，如图3(a)所示。此时，将示波器的显示模式切换成两路信号相加，屏幕上的图形如图3(b)所示，即为同相叠加时，振动加强，合成振幅大小为原来两个振幅大小之和。在此基础上，改变接收端通道信号的增益，重复上面的实验，让学生体会不同情况下振幅的相加。

图3

随后，调节接收端位置，使接收端信号与发射端信号反相。先调整接收端通道的增益档位和连续衰减因子，使两路信号图形完全重合，如图4(a)所示。此时，将示波器的显示模式切换成两路信号相加，屏幕上的图形如图4(b)所示，即为反相叠加时，振动相消，合成振幅大小为原来两个振幅大小之差。接着，改变接收端通道信号的增益，重复上面的实验。

图4

2.3 演示两列波的任意相位的叠加

3 结语

声速测定仪和双踪示波器是常用的普通物理教学仪器。我们所设计的演示实验，利用了声速测定仪能够产生两列波并且相位差连续可调的特点和双踪示波器可以同时显示两列波和它们的叠加结果的特点。在对中学生讲解波的叠加以及波的干涉时，该实验原理清晰、仪器简单、现象丰富、便于演示，可以作为课堂教学的有益补充。

[1] 胡亚超等.基于多功能干涉仪的教学演示及测量应用[J].物理实验，2017，(2).

[2] 雷航，程永进，郭万里.声波波速测试仪[J].物理实验，2017，(3).

[3] 邵维科，赵霞，轩植华.驻波法测量声速实验的讨论[J].物理实验，2017，(3).

* 通讯作者：翁华，教育硕士，主要研究中学物理教学。