自制驻波演示仪

赵雪 郑渊方

摘   要：振动是自然界普遍存在的现象，振动会产生机械波。在物理学习中，驻波是比较重要并且抽象难懂的内容。因此，生动又直观的实验现象往往比理论更容易让学生理解。基于此，笔者制作了驻波演示仪，可以直观演示驻波，并且对驻波的原理、仪器的制作过程和演示效果进行了介绍，希望对教学有积极意义。

关键词：机械波;振动;驻波

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2019）4-0048-3

1    引  言

驻波是物理教学中比较重要的一部分内容。在驻波教学中，很多教师普遍感到学生不容易全面且正确地理解、掌握好驻波知识，而学生对于这部分抽象的知识确实是难以理解，笔者对此感同身受。怎样改进驻波教学，才能得到比较好的教学效果呢？在调查分析学生掌握不好的原因，以及分析有关文献的基础上，笔者找到一种较好的方法，即通过简易自制教具演示駐波现象，以此来对教学以及学生产生积极影响，调动学生学习物理的积极性。

驻波是自然界一种十分常见的现象，生活中无处不在，例如水波、乐器发声、树梢震颤等都与驻波有关[2]。笔者在分析了大量过去的自制驻波演示仪器中，发现大多数自制教具中采用弹性绳或者水为介质，效果直观明显。为了比较形象、直观、方便地演示驻波，本次制作也选择了弹性绳作为研究介质。

2    仪器制作

2.1    制作原理

本仪器原理是通过制作一个可以上下做周期振动的装置，带动波载体产生入射波，入射波又经过固定点反射回来，当入射波与反射波这两列波叠加在一起，在一定条件下形成了驻波。

制作难点就在于怎样做一个上下振动的装置。淘宝所卖的振动器大多价格昂贵，不适用于此。考虑过打点计时器的探针上下振动是否可以达到想要的效果，但毕竟打点计时器是一个完整的器材，仅仅利用探针有点大材小用。最后经过反复试验，反复改进，选择了一个名为“凸轮”的机械结构。如图1所示。

当下方偏心轮转动时，就可以带动上方圆盘以及杆上下振动。由于偏心轮转一圈所用时间相等，即上下振动周期也相等。

2.2    材料的选择

本着节约的精神，也希望启迪学生随时动手体验物理，本次制作所用材料大多是废旧物品，在生活中随处可见。这更加契合了物理来源于生活，与生活息息相关。

2.2.1    振动源

笔者希望可以做一种简易、实用的装置，所以采用电动机作为振动源，高速旋转带动竖直轴上下周期振动，从而带动弹性绳产生入射波，经过节点处反射形成反射波，两列波叠加形成驻波。

2.2.2    波载体

如前所述，波载体采用弹性绳，在生活中随处可见，而且效果直观明显。

2.2.3    其他材料

如图2所示，电源和电动机是从闲置的剃须刀上拆卸下来的，达到废物二次利用的目的。电源可以直接进行充电，因此不会造成干电池废弃污染环境;并且自带开关，省去了接入开关的步骤，方便简洁，一物二用。

竖直轴采用的是使用完的笔芯，这种东西对于学生来说随手可得，借助废弃笔芯制作教具的某一部分，一定会对学生有所启示，带动其动手学物理的积极性，启发学生从生活中发现物理。

外壳是马克杯的包装盒，可以在盒子上钻洞，连接螺丝、螺母，固定电动机等物品。

2.3    仪器的制作过程

2.3.1    凸轮结构制作

如图1所示，凸轮主要由安装在电动机轴上的偏心轮、水平放置的圆盘以及竖直杆组成。

笔者希望使用最简单的方法进行制作，所以将铁片剪成椭圆，然后将边缘打磨光滑，在偏心位置钻一个与电动机转轴大小相近的孔，然后用强力胶将偏心轮固定在转轴上，但不要接触到电机机身，待强力胶干透后，电机转动，带动偏心轮高速旋转。

在此想要解释一点，一般最容易想到的连接方法是焊接，但是铁材料与电机轴材料不同，无法焊接，而且电烙铁又不是家中常备物品，所以采用强力胶进行粘合。随着科学技术的发展，现在市面上的胶水同样具有很强大的功能和优点。本次粘合使用的强力胶具有很多优点：第一，它很适合粘接铁质类产品。第二，这种胶水很容易操作，只需要将两种胶水混合，涂抹在需要粘接的部位即可。第三，这种胶水一般常温固化，并且具有优良的电绝缘性能，对粘接的铁质物品起到一个很好的保护作用。最重要的是，强力胶属于高强度强胶水，能有效粘接铁质类物品，不会轻易脱落，并且固化后具有弹性，可以保护物品的安全。

关于材料，其实在日常生活中随处可见。本次实验材料来源于废弃易拉罐，将易拉罐侧面剪一个大小适度的椭圆，然后在偏心位置钻孔（孔的大小应该以紧紧套在电机转轴上为合适），安装在转轴上，用强力胶进行粘合。如图3所示。

2.3.2    安装弹性绳

将弹性绳系在笔芯顶部，然后可以用笔芯堵封住，防止在振动过程中弹性绳掉落。

2.3.3    电路连接

电路连接采取初中所学的最简单的电路——串联电路，将电源与电动机串联即可。完整装置如图4所示。

3    仪器的使用

待装置充电完成后，用手拉住弹性绳一端，打开开关，适当调节松紧，当入射波碰到手指处节点进行反射，反射波与入射波叠加，（下转第51页）

（上接第49页）即可看到驻波，可以明显看到波节、波腹，在波腹处振动激烈，波节处几乎无振动，如图5、图6所示。

4    总  结

本自制教具并没有采用高难度的制作方法，而是使用最简单的串联电路，并且振动原理也很容易理解。材料也没有购买昂贵的东西，而是使用生活中随处可见的废旧物品。这些细节势必会对学生产生影响，让他们认识到废旧物品不一定要丢弃，还可以利用所学知识，开动脑筋，创造一个全新的物品。学生在课后，可能也会产生制作仪器的想法，只要他们敢想敢做，就一定会产生积极效果。

参考文献：

[1]李光辉，李文斌，刘玲令.驻波教学浅谈[J].湘潭师范学院学报（自然科学版），2008，30（2）：208.

[2]刘明忠.绳驻波演示仪的制作与使用[J].物理教学探讨，2016，34（5）：59-60.

（栏目编辑    王柏庐）

收稿日期：2018-10-23

作者简介：赵雪（1996-），女，福建师范大学学科教学物理专业在读研究生;郑渊方，女，福建师范大学物理与能源学院硕士研究生指导教师。