对学生来说, 虽然在日常生活中时常能遇到一些的波的干涉现象,但由于波的干涉过程并不容易观察和理解,上课前学生们几乎没有关于波的干涉现象的预备知识,通常需要教师在课堂上利用演示实验,让学生在课堂上观察到波的干涉现象,产生相应的感性认识。
然而, 波的干涉实验是一种较为难做的实验,再加上许多学校中波的干涉实验的器材性能较差,因此实验效果并不理想。笔者在多年的教学实践中, 改进了实验仪器, 总结出了几种关于波的干涉现象的实验方案,取得了较好的效果。现介绍给大家。
1 干涉实验中振源的改进
1.1 用示振音叉作振源
在波的干涉实验中可以用示振音叉做振源进行实验。示振音叉是一种振动频率很低, 振幅很大的音叉,它的主要作用是用来演示机械振动的。此种音叉一般学校中少有,但可以自制。找一块长约80cm,宽约3cm,厚约3mm 的弹簧钢板,先把中间钻一个孔,然后从中间弯曲成一个U字形音叉,两根叉腿之间的间距约5cm, 再在中间孔上用螺钉装一手柄,即制成了一个示振音叉。
用示振音叉作振源演示波的干涉时,先在音叉的一个叉腿上装一个双叉形触针,把音叉振动起来后,用这个触针触及水槽中的水面,即可激起两列水波,形成干涉。
用示音叉作振源演示波的干涉,方法简单,使用方便,容易携带,效果较好。但也存在一些缺点需要克服,一是振动时间稍短,二是触针触及水面时高度不易掌握。
1.2 用气流作为发波水槽的振源
许多学校都有演示波的干涉现象的发波水槽,它是在水槽上面安装一个双叉形的触针, 利用机械振动方法, 让触针打击水面产生两列水波,从而形成干涉现象的。用发波水槽演示水波干涉现象有几个显著缺点:一是整个装置振动过大,会产生许多杂波、二是触针打击水面时容易溅起小水珠, 水珠落入水槽内时也形成杂波、三是用毛玻璃作观察屏产生的图像不清晰, 因此,往往很难取得好的实验效果。
为克服发波水槽的上述缺点,笔者曾试用气流代替机械触针产生水波,效果较好。其方法是,找两个一次性输液针头,将两针头相距约20mm的距离并列固定起来,把两输液针头另一端的两根管子并在一起, 接到一根软橡胶管上,再与一个小型气源或皮老虎的吹气相连,开动气源或按动皮老虎,两个针孔就能吹出气来。
把这两个并列的针头置于发波水槽一端的一水面上, 调整好高度和气流大小, 就可以在水面上吹起两列水波, 形成水波的干涉。这种方法克服了发波水槽的振动和溅落水珠的两个缺点,实验效果大大提高。
1.3 在投影仪上做演示实验
用前述方法改进发波水槽实验,虽然能克服发波水槽机械振动和溅落水珠的缺点,但仍有通过毛玻璃观察屏观察效果不佳的缺点,要彻底克服发波水槽的缺点,可以利用投影仪做波的干涉实验。
其方法是,将一个深约5cm的浅水槽置于投影仪上,调好投影仪的焦距, 把水槽的图像清晰地投影到屏幕上。然后再用前述方法制成的针头置于水槽一端, 让气流在水槽中吹出两列水波,这样,形成的干涉纹样就可以清晰地投影到屏幕上,便于学生观察。由于取消了触针击打水面的振动装置,使这种投影方法变得可行。
1.4 课外在浴盆中做干涉实验
这是一种引导学生自己动手做实验的方法。现在,住在城市的家庭中, 大多都有洗澡用的浴盆,利用浴盆,也能做干涉实验。
在浴盆的上方点一只较亮的灯泡,往浴盆中灌入半盆清水(水要深一些, 在20cm 以上, 这样效果更好),伸出一只手, 将食指和中指伸开,让两指尖相距约5cm,其余三指握起来。把伸开的两只手指置于浴盆一端的水面上,两指同时轻轻敲击水面,就可激起两列水波,这两列水波在水面上形成干涉。透过水面,观察水底,可看到在盆底形成了一簇明暗相间的干涉条纹。
做这实验的关键是调整好击打水面的频率和击打深度,频率一般约为5Hz,深度以刚触及水面为宜。若家中没有浴盆,也可以用一个较大的洗衣盆、洗脸盆等。为便于观察,最好在盆底涂一层白色油漆,或者在盆底放一张白色平整的纸或塑料薄膜,效果也不错。
2 用音叉做声波的干涉实验
将音叉敲击振动后, 两根叉腿作为两个振源,激起两列频率相同的声波,也能形成干涉,若转动音叉,就能听到振动声音的强弱变化,显示出声波干涉的效果。用这种方法演示声波干涉时,其音量过小,效果并不佳。为克服此缺点,绝大多数教师都会用扩音器对声音进行放大。即使如此,有时也很难达到理想的实验效果。
笔者在用这种方法做实验时,并非直接用扩音器上的话筒对着音叉进行扩音,而是用一个微型话筒,把它用不干胶带粘到音叉共鸣箱的底部,然后用软导线把话筒与扩音器相连。
实验时,把音叉置于共鸣箱前部,转动音叉,引起共鸣箱振动, 话筒捡拾到共鸣箱的振动后,生成电讯号, 送入扩音器放大。这种方法比直接用扩音器效果明显,即便是音叉的振动已经很微弱了,也能通过扩音器放出声音来,持续的时间也较长。
笔者介绍的几种关于波的干涉现象的实验方案,各有优劣,在此只是起到抛砖引玉的作用,供广大同仁参考磋商,以利共同提高。
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