驻波悬浮的原理分析及创新实验演示

2021-01-19丁洪良

物理之友 2020年11期

关键词：驻波振子声波

丁洪良

(江苏省丹阳市教师发展中心，江苏镇江 212300)

1 引言

驻波是自然界一种十分常见的现象，横波和纵波都能产生驻波现象，利用驻波能够产生一些奇特的物理效果，笔者对“驻波悬浮”的原理进行理论探讨，介绍实验器材制作过程及演示方法。

2 实验原理

驻波可以看作是一种特殊的干涉，是频率相同、传输方向相反的两种波，沿传输方向形成的一种分布状态。其显性特征表现为在波形上有波节和波腹，且波节和波腹的位置始终是不变的，给人“驻立不动”的印象。

如何实现驻波悬浮呢？先以横波为例简单说明其原理，两列振幅相同的弦波产生驻波现象时，波节处的质点是不振动的，而越远离波节处，质点的振幅越大，在波腹处达到最大。当波的频率比较高时，眼睛已无法观察到弦上质点的振动，整个弦在空间形成一个固定的画面(图1)，就好像是静止的一样。尝试用手去触摸弦的不同部位，会感觉到一股持续的作用力，这种效果是弦对手的周期性高频冲击所产生的。就好像下雨天，当落到伞上的雨滴足够密集时，伞会受到一个持续向下的压力，两个事件的道理是一样的。此时如果我们在波节处放上一个轻质小球，理论上它可以在此处于平衡状态，就像是位于两个正对的斜面中间的小球一样。

图1

图2

但由于弦波是二维平面波，小球只受到来自左右的约束，而前后不受约束，这是一种不稳定平衡，故以上分析是一种理想情况，要实现真正的稳定平衡，必须要利用三维空间波，我们可以考虑利用声波来实现。声波是一种疏密波，由于空气密度大的地方压强大，密度小的地方压强小，所以处在声场中的物体就会受到压强差产生的力，如图2所示，球1上方的压强小于下方的压强，它会受到一个向上的力；而球2所处的位置上方压强大于下方，所以它会受到一个向下的力。随着声波的传播，球1和球2都会受到时而向上、时而向下的力，于是就振动起来，它们的振动频率正是该声波的频率。如果图中空气疏密分布不随时间发生移动，则图中的小球就会束缚在密度比较小的位置，因为此时无论它是向上或向下漂移，都会受到回复力的作用，使它回到这个位置上，这样就达到了悬浮的效果。笔者选择了利用超声波来进行实验，原因有二：一是超声频率高，直线传播性好，能量集中；二是超声频率超出了人耳的听觉范围，避免了噪声影响。