结合频闪制作的水波干涉演示仪

杨冰 陈杨 刘金甫 代珍兵

摘   要：在高中物理“波的干涉”教学中，常常采用生活中的水波进行直观演示，但传统水波干涉演示仪现象不够清晰且不易带入课堂。为便于教师课堂教学演示，利用扬声器、功放等生活中常见的材料制作水波干涉演示仪，配合手机频闪软件使实验图像变得更加清晰，制作方法简单且演示效果好，对于物理教学或者科普展示都有一定的推广价值。

关键词：水波干涉;频闪;拓展;物理教学;演示仪

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2022）2-0045-3

“水波的干涉”是“波的干涉”一节中的重要实验，新课改后，机械振动、机械波由原来的选学内容变为了选择性必修内容[1]，2019年版人教版高中物理教材将这一部分内容放在了选择性必修第一册的第三章中，可见其重要性在增加。水波在生活中比较常见，比如在平静的水面上落下的雨滴可以激起涟漪。用水波作为演示对象，学生们更熟悉，也更易接受。现行教材多使用50 cm×50 cm的水波槽，通过固定在同一个振动片上的两根细杆触动水面，在天花板上投影水波的方法演示，但常常存在演示图像不稳定、不清晰且不易带入课堂等问题[2]。为使演示现象更加清晰，本文利用生活中一些易得的材料配合手机频闪软件，自制了一台可用于水波干涉演示的仪器，得到更加清晰、稳定的水波干涉现象。

1    设计思路

为了适应高中课程“机械波”章节新课教学的课堂演示，需要相应的实验仪器进行辅助讲解，实验仪器要实现以下几种功能：（1）方便携带，实验现象明显，学生现场进行观察;（2）结构清晰明了，学生更易结合所学知识进行理解，达到理论与实践相结合的效果;（3）多功能性，仪器通过更换不同配件就可演示不同实验内容，做到一物多用;（4）数字化调控和显示，参量调节精准迅速，定性演示与定量分析相结合，有理有据，让学生以更严谨的态度看待实验现象。

为达到以上要求，我们在智能手机上安装一些物理实验软件，如“汇中频闪手电”可提供频闪光源，“phyphox”可提供实验所需的正弦信号，也可以使用数字式简易信号发生器，成本较低。振源采用电磁激励方法，具有数字化、可控性强、不易损坏等优点，生活中易得的扬声器为最佳选择，利用功放板将信号放大后即可通过扬声器输出为我们所需的振动。电路部分作为控制单元分离，便于携带，且演示时学生更易理解装置结构和原理。

2    仪器的设计及制作

2.1    控制单元设计

控制单元为扬声器提供驱动信号，主要由简易信号发生器、功放板和工作电源组成。设计了一个双刀双掷开关，可选择信号由简易信号发生器或手机提供。功放板对信号放大后即可作为驱动信号，在输出端安装一个3.5 mm音频插头，并在演示装置上安装对应插孔，连接与分离都非常便捷。为实现多功能性，控制单元设计了两路输出，两套元件参数相同，即可实现同时驱动两个振源工作并单独控制，可用于机械振动合成等实验演示。面板上元件排布如图1所示。

2.2    演示装置设计

根据实验要求设计的演示装置，主体使用亚克力板制成，内含两个20 W的扬声器作为振源，整体结构示意如图2（a）所示。制作时我们将两端带内螺纹的金属杆固定于瓶盖中心，用锉刀打磨切口使其与扬声器纸盆底部吻合，用AB胶固定在扬声器纸盆上，振动器在某一频率的正弦信号的激励下产生激励信号，扬声器纸盆在音圈带动下将做与激励信号频率相同的往复直线运动，通过瓶盖与纸盆相连的金属杆也随之做往复直线运动，即做成振动杆[3]。考虑到前人利用此方法制作的振动杆在实验过程中容易产生偏移，从而使振动方向发生改变。此装置优化设计，采用直线轴承限位的方法，在保证限位效果的情况下尽可能减少了阻力。

通过在振动杆上更换不同实验配件，可演示多个不同的实验现象。装置实物图如图2（b）所示。

使用亚克力板制作一个30 cm×30 cm的透明水槽，用四个支脚撑起，使之与演示仪等高。利用铝片制作起波装置，将铝片剪成叉状，因为胶管与水面接触比铝片更充分，在铝片接触水面一端套上胶管，另一端打孔即可固定于竖直方向振源上，如图3所示。

3    水波干涉演示

实验时往水槽内放适量清水，水面与胶管触头刚刚接触为好，起波器摆动频率与振动杆往复运动频率相同，波源频率变得可控。打开手机中的“phyphox”软件，使用音频发生器将频率预设为50 Hz，软件界面如图4（a）所示，在水槽正上方20 cm处放置一智能手机，利用手机闪光灯作为光源，打开频闪软件设置频闪间隔时间为0.01 s，调节界面如图4（b）所示。

由于两个频率相匹配，人眼的视觉暂留效果导致肉眼观察到图形静止[4]，给学生一定的视觉震撼。当振动频率略高于频闪灯频率时，可“慢动作”观察到波的传播、相遇、叠加，但干涉区域始终稳定不变，可通过观察亮暗不同的区域判断波的叠加情况[5]，较亮区域与干涉相长区对应，较暗区域与干涉相消区对应。通过此即可验证水波叠加后发生了干涉。现场演示效果较好，学生反应热烈，极大地提高了学习兴趣。

图5为振动频率为50 Hz时拍摄的水波干涉实验现象，现象明显直观。在水槽中部放置一块开有两条竖直狭缝的亚克力挡板，水波经过挡板的狭缝时发生了衍射现象，可观察到两狭缝形成的新波源即次波，次波叠加后发生了干涉（图5左）。同样，图5右图展现了两个相干波源振动叠加形成的干涉现象，可模拟高中物理教材中的经典水波干涉实验。

4    结  论

自制水波干涉仪有如下优点：（1）实验现象明显。利用频闪灯的方法，使运动的波变慢，更利于学生观察。（2）装置可携带性高。仪器将控制单元与演示装置分离，体积小，配件可根据需求进行搭配，課堂演示或移动都更加方便。（3）功能多样化。笔者主要叙述了水波干涉部分的演示现象，李萨如图形、克拉尼图形、液体表面驻波、环形驻波、弹簧纵驻波、受迫振动、水流驻波与行波等实验，通过更换不同配件也能观察到清晰的实验现象，可供学有余力的学生进行实验探究。（4）数字化调控与显示。激励信号的频率可通过精准调控，提高实验演示的稳定性。

该自制仪器具有低成本、多功能、效果好等优势，可作为教具在课堂教学时现场演示，或作为科普仪器丰富学生的课余生活。经过实践，装置不仅能够将抽象的知识变得更加形象，而且可以帮助教师调节课堂气氛，很受师生欢迎。

该装置所获成果：第十二届北京市大学生物理实验竞赛三等奖;第二届四川师范大学物理实验竞赛二等奖;2021届四川师范大学优秀本科毕业设计。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020：12-13.

[2]王景民.水波干涉和衍射实验的改进[J].教学仪器与实验，2015，31（03）：41-42.

[3]潘学军.物理实验方法与演示教具制作[M].北京：科学出版社，2012.

[4]蒋丽艳.视觉暂留的奇特现象[J].物理教学，2013，35（11）：29-30+28.

[5]沈平，严隽仪.水波干涉演示实验投影纹的光学分析[J]. 物理通报，1998（07）：12-13.

（栏目编辑    刘   荣）

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