用自制水波投影仪演示波动现象

吴嘉欣 郑学旎 余小玉 李德安

(1. 东华高级中学,广东 东莞 523000; 2. 华南师范大学物理与电信工程学院,广东 广州 510006; 3. 松岗实验学校,广东 深圳 518105)

机械波是2017人教版高中物理选择性必修1第3章的内容,是高中物理中较为抽象难懂的部分,对学生的理解力和空间想象力有较高的要求.因此,直观演示是帮助学生理解波动现象的重要手段.由于水波是一种常见的机械波,波动现象直观明显,故传统的演示装置主要为发波水槽(常见的有手动式、电磁式和气动式3种),但存在振频不稳定、演示功能少、不利于课堂展示等问题.本文展示的水波投影仪将蓝牙和振源连接,再将手机连接蓝牙,通过手机音频发生器实现对振频的精确控制,形成稳定的波纹,配合滑轨和挡板即可演示多种波动现象;并通过投影将现象清晰地呈现竖直屏幕上,组装简便,便于携带,有助于课堂演示,从而克服了传统发波水槽的问题,对激发学生好奇心、帮助学生理解相关概念、解决教学重难点有着显著的作用.

图1 装置侧视图

1 制作原理

水波投影仪由光源、振动源、透明水槽、投影箱等构成(如图1).在透明水槽中加入少量清水，启动振动源，振针以一定频率上下振动，不断敲击水面，形成水波.从上方光源发出的光线经45°平面反射镜后，即可将水面的波纹投影到投影箱前的白色屏幕上.通过竖直屏幕即可观察到水的各种波动现象.

1.1 振动原理

本教具将扬声器接在功率放大器的输出端,蓝牙板接在功率放大器的输入端.将手机和蓝牙板配对连接,就可以通过手机音频信号发生器输出音频信号,控制扬声器振动,电路图如图2所示.将塑料瓶的上半瓶身固定在扬声器的振动盆中,瓶盖上固定钢尺,钢尺前端固定振针,制作成振动源,如图3所示.扬声器振动时带动振针振动,敲击水面,即可形成水波.

图2 振动源控制电路

图3 振动源实物图

1.2 显示原理

本教具提供的光源为频闪光源,由LED灯、功率放大器、蓝牙板、电源和开关组成,电路图如图4所示.将LED灯、蓝牙板分别接在功率放大器的输出端和输入端.将手机和蓝牙板配对连接,即可通过手机音频信号发生器输出音频信号(如图5),控制LED灯以一定频率闪亮,制作成频闪灯.当频闪光的频率和水波振源的频率相同时,光和水波同步,投影静止,画面定格;当频闪光频率比振源频率稍大时,光每次打到水波上的位置都滞后于前一次,所以投影向内收缩;当频闪光频率比振源频率稍小时,投影向外扩展.[1]

图4 频闪光源控制电路

图5 手机音频发生器操作界面

2 制作流程

(1) 搭建装置.

用激光切割机切割亚克力板,制作光源支架、水槽和投影箱;制作好后,将45°平面镜放入投影箱中,水槽架到投影箱上,并放置光源支架;将LED灯固定在光源支架上.

图6 控制电路实物图

(2) 制作频闪光源控制电路.

将LED灯和蓝牙板A分别接在功率放大器A的输出端和输入端;将手机A和蓝牙板A配对连接,制作成频闪灯.功率放大器由3节锂电池供电,蓝牙板由3节5号电池供电,如图6所示.

(3) 制作振动源.

将滑轨钉在木箱上,再将扬声器固定在滑轨上;截取塑料瓶上半瓶身,将其固定在扬声器振动盆中,瓶盖上固定钢尺,钢尺前端固定振针,制成振动源.

(4) 制作振动源控制电路.

将扬声器和蓝牙板B分别接在功率放大器B的输出端和输入端;将手机B和蓝牙板B配对连接,从而控制扬声器以一定频率振动.

(5) 制作挡板.

切割白色亚克力板,制作成挡板.整个教具的正、反面如图7、8所示.

图7 教具正面图

图8 教具背面图

3 功能演示

3.1 演示波的反射现象

当水波在传播过程中碰到障碍物时,就会发生反射.在水面上放置一个挡板后,将一个振针向上旋转一定角度,只让另一个振针敲击水面,形成水波;闭合振源、光源开关,打开手机A、B的音频信号发生器,将振源和光源的频率设置为30 Hz,再通过手机音量键调节振源的振幅和光源的亮度,由图9即可观察到波源发出的圆形水波遇直线界面反射的现象.

图9 水波反射现象

图10 水波衍射现象

3.2 演示水波的衍射现象

水波绕过障碍物,偏离直线传播而进入几何阴影,且明暗分布不均匀的现象,为水波的衍射现象.[2]将一个振针向上旋转一定角度,只让另一个振针敲击水面;在水面上放置两个挡板,形成单缝,适当调整缝宽;闭合开关,通过手机分别调节好振源的频率、振幅以及光源的频率、亮度后,由图10即可观察到水波出现在挡板的几何阴影部分,且明暗分布不均匀的衍射现象.

3.3 演示水波的干涉现象

如果两列波频率相等,在观察时间内波动不间断且在相遇处振动方向沿同一直线,它们叠加后产生的合振动在有些地方加强,有些地方减弱,振动加强的区域和振动减弱的区域相互隔开,这种现象叫做波的干涉.[2]闭合开关,通过手机调节好两个振针振动的频率和振幅,以及光源的频率和亮度,即可观察到水波的干涉现象.适当调节两个振针的间距,还可以观察到条纹宽度随振针间距增大而减小的情况,如图11、图12所示.

图11 振针间距较小

图12 振针间距较大

3.4 演示多普勒效应

多普勒效应指出,当观察者与波源之间发生相对运动时,接收的频率相对发射的频率会发生变化.当波源与观察者相互靠近时,频率变高,波长变短.当波源与观察者相互远离时,频率变低,波长变长.[2]将一个振针向上旋转一定角度,只让一个振针敲击水面;闭合振源和光源开关,调节好振源的频率和振幅,以及光源的频率和亮度,形成稳定的水波;移动滑轨,固定在滑轨上的扬声器带动振针沿直线运动,即可观察到在波源运动方向上,波纹变密,频率变高;而在波源运动的反方向上,波纹变疏,频率变低,如图13、图14所示.

图13 多普勒效应1

图14 多普勒效应2

4 教学作用

(1) 激发学生兴趣,增进学生理解.

机械波是高中物理中较为抽象难懂的内容,直观演示有助于增进学生对波动现象的感性认识,进而理解波动现象中的抽象概念.本教具提供了丰富的演示功能,现象清晰明显,而且创造性地采用智能手机连接蓝牙实现对频率的控制,原理也不复杂,可以有效地能激起学生的好奇心和求知欲望,让学生感受到现代科技的魅力,从而促进学生对波的理解.

(2) 拓展课堂教学内容,培养科学探究能力.

本教具除了演示教材中提及的波现象外,还可用于探究圆形波波长和频率的关系、探究惠更斯原理等,有助于感兴趣的学生进行课外探究,培养学生的科学探究能力和实践能力.