張遠(yuǎn)強(qiáng)

（遵義師范學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院，貴州遵義563002）

在進(jìn)行《波的形成和傳播》一節(jié)的教學(xué)時，學(xué)生對傳波物質(zhì)不“遷移”和機(jī)械波呈現(xiàn)“周期性”理解不透徹。在具體的教學(xué)過程中，與學(xué)生溝通時，發(fā)現(xiàn)學(xué)生的“結(jié)癥”在于不能在頭腦里正確建立“波是機(jī)械振動的能量和形式在媒質(zhì)中的傳播”的“模型”。

一、營造簡單的“情”與“景”，構(gòu)建雛“型”

為了讓學(xué)生正解理解機(jī)械波的傳播，筆者由“看得見”的繩波入手（見圖1），先讓學(xué)生自學(xué)教材第24頁的橫波的形成過程，出示問題：

（1）繩上每一點(diǎn)開始運(yùn)動時的運(yùn)動方向；

（2）繩上各點(diǎn)運(yùn)動的先后順序；

（3）繩上各點(diǎn)運(yùn)動的能量來自哪里；

（4）波源振動一周期的時間內(nèi)，不同時刻的波形是否相同；

學(xué)生自學(xué)完后都能回答：繩上每一點(diǎn)開始運(yùn)動時的運(yùn)動方向與波源開始振動的方向相同；繩子各部分可看成是相互之間存在彈力的質(zhì)點(diǎn)，沿波傳播方向，前一質(zhì)點(diǎn)依次帶動后一質(zhì)點(diǎn)，后一質(zhì)點(diǎn)延遲振動，繩端上下振動的狀態(tài)就沿繩子傳遞出去，從整體上看，就形成凹凸相間的波形；繩上各點(diǎn)運(yùn)動的能量來自前質(zhì)點(diǎn)，最終來自波源，也就是說各質(zhì)點(diǎn)的振動是受迫振動；波源振動一周期的時間內(nèi)，不同時刻的波形是不相同的；這樣就使學(xué)生在繩波情景下在頭腦里建立起“波”的模型。

圖1

然后結(jié)合教材的“做一做”實(shí)驗，抽一組身高相近的學(xué)生排成一行，手舉一條彩色布帶，從左邊第一位同學(xué)開始，周期性地下蹲、起立，后面的同學(xué)依次重復(fù)前一個同學(xué)的動作，只是后一位同學(xué)總比前一位同學(xué)稍遲一些。這樣就會看到凹凸相間的波沿著隊伍傳播出去，而每一位同學(xué)的腳并沒有移動。讓同學(xué)們親身體驗后再出示并回答問題：

（5）彩色布帶的作用是什么？

前一位同學(xué)通過它傳遞開始下蹲和起立的信息，起到傳遞信息和能量的作用，就是傳播振動形式的介質(zhì)；

（6）每一位同學(xué)只是重復(fù)下蹲、起立的動作，但腳并沒有移動，這說明了什么？

說明機(jī)械波形成的過程中，各質(zhì)點(diǎn)在各自的平衡位置附近振動，將振動形式傳遞出去，質(zhì)點(diǎn)并不遷移。

這樣通過同學(xué)們親自營造“情”、“景”，模擬波的形成過程，感受波的特點(diǎn)，對波的認(rèn)識就有了初步的“型”。

當(dāng)波源持續(xù)振動時，又怎樣呢？設(shè)想某波源在振動中沿柔軟的細(xì)繩發(fā)出一列橫波。在第一個周期內(nèi)，該波在原繃直的細(xì)繩的A端開始傳播。當(dāng)A振動完一個周期，振動形式恰傳至B點(diǎn)，且在A、B間形成的橫波如圖2。

圖2

而B點(diǎn)對于B點(diǎn)后繩上各點(diǎn)來說，自然相當(dāng)于“波源”（也稱“前質(zhì)點(diǎn)”）。如果不考慮阻力存在，A再振動一個周期時，B點(diǎn)的振動又要沿繩傳至C點(diǎn)，在B、C間也形成與A、B部分完全相同的橫波，以致在繩A、C部分就呈現(xiàn)出如圖3示的波形。

圖3

從這里可以看出，繩子B、C部分形成的橫波只是B點(diǎn)振動在B、C部分的傳播，并非是第一個波形A、B“平移”來的，A、B段的波依舊保持著它本來的橫波面目。

這個講法，是合乎教材要求的。但結(jié)合課堂教學(xué)信息反饋可發(fā)現(xiàn)，在或多或少的學(xué)生心里仍然留有這么一個印象：B、C部分的波形是A、B部分平移來的，A、B部分的波形平移至B、C后，A、B部分的細(xì)繩又還原成了先前的“繃直”狀態(tài)。

既然學(xué)生記住了“傳波物質(zhì)不遷移”和“機(jī)械波呈現(xiàn)的周期性”，為啥還會出現(xiàn)“A、B部分的波形平移至B、C后，A、B部分的細(xì)繩又要還原到到先前的‘繃直’狀態(tài)呢？”

二、引導(dǎo)分析“情”與“景”，發(fā)展定“型”

在具體教學(xué)過程中，針對學(xué)生的實(shí)際情況，按以下步驟循序漸進(jìn)地對學(xué)生進(jìn)行引導(dǎo)，可收到良好的教學(xué)效果。

（1）細(xì)繩的A、B段所以形成圖3所示的波形，是因為組成A、B段細(xì)繩中的各質(zhì)點(diǎn)先后振動，且相鄰后質(zhì)點(diǎn)總要“學(xué)”前質(zhì)點(diǎn)的樣子振動。因不同質(zhì)點(diǎn)振動的時間有先后之分，所以才形成圖3樣的正弦波。

（2）A、B段細(xì)繩中的A點(diǎn)學(xué)振源的模樣完成一個全振動（即A的振動傳到B）后，B點(diǎn)又會帶動B、C段中各質(zhì)點(diǎn)先后“學(xué)”A、B段各質(zhì)點(diǎn)振動，當(dāng)又經(jīng)一個周期時，B、C段細(xì)繩也表現(xiàn)出了和A、B段同樣形狀的波。這個波形形狀雖然與A、B段波形相同，但絕不是A、B段“平移”過來的，因為B、C段中各點(diǎn)振動在形成正弦波的過程中，振源還在把振動傳給A，因而A、B段中各點(diǎn)的振動仍在繼續(xù)。

（3）只要振源不停止振動，A、B段細(xì)繩各質(zhì)點(diǎn)就會按自己已經(jīng)得到的能量、已經(jīng)安排好的時間永遠(yuǎn)地振動下去，絕不會因為B、C段細(xì)繩波形的出現(xiàn)而“還原”成繃直狀態(tài)。

（4）同樣的道理，（只要振源提供能量不變）細(xì)繩B、C段以后的C、D……各段，雖然也要先后形成同樣的正弦波，但它們的形成既不會影響前面各段已形成的波形，也不是前面各段細(xì)繩形成波形的“平移”，更不是波源的“平移”。

三、拓寬“情”與“景”，引伸成“型”

當(dāng)橫波的“情、景”在學(xué)生頭腦里真正成“型”以后，要建立縱波的傳播模型就比較容易。

先演示教材25頁縱波的形成實(shí)驗（見圖4），要求同學(xué)注意觀察彈簧中形成的波的表現(xiàn)：（1）彈簧中小布條A的運(yùn)動狀況；（2）振源停止振動后，彈簧中的波動也會馬上停止嗎？演示后同學(xué)們很容易知道，彈簧中的波動表現(xiàn)為疏密相間的波在彈簧上傳播；小布條A只是在它平衡位置附近來回振動，沒有隨波遷移；波源停止振動后，波動不會馬上停止，仍然在由近及遠(yuǎn)向遠(yuǎn)處傳播。

圖4

再設(shè)想某聲波波源發(fā)出的聲波（為方便研究，只考慮從左向右傳播的）在空氣中傳播，由如圖5知道，設(shè)想處于01之左附近的聲源向右發(fā)出一定頻率的聲波后，平衡位置在01的A部分空氣開始向右振動。達(dá)振幅后既要迫使平衡位置在02的 B部分空氣振動，自己卻要返回且經(jīng)平衡位置01向左。以后平衡位置在02的 B部分空氣又要迫使平衡位置在03的C部分空氣振動……如此相互影響，波源發(fā)出的縱波便由波源處經(jīng)空氣由近及遠(yuǎn)地傳播開去。

圖5

這里也可以看出，盡管聲源的振動形式和能量被周圍的空氣傳播開了，但波源并沒有遷移，傳遞聲波的空氣的不同部分A、B、C也沒有遷移！

綜上所述，經(jīng)這樣處理后，機(jī)械波傳播的情、景和型都在學(xué)生頭腦里建立起來，學(xué)生對機(jī)械波的傳播再不感到難于理解，對傳波“物質(zhì)不遷移”和機(jī)械波呈現(xiàn)“周期性”也運(yùn)用自如。

[1]人民教育出版社物理室.全日制普通高級中學(xué)教科書·物理(第2冊,第二版)[M].北京:人民教育出版社,2006.

[2]人民教育出版社物理室. 編著全日制普通高級中學(xué)教師教學(xué)用書(必修加選修)·物理(第2冊,第二版)[M].北京:人民教育出版社,2006.

[3]物理課程教材研究中心.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗教科書·物理(選修3-4·第三版)[M].北京:人民教育出版社,2010.

[4]物理課程教材研究中心.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗教科書·物理(選修3-4,教師教學(xué)用書,第四版)[M].北京:人民教育出版社,2010.