羅冬玲 梁志輝 張軍朋

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

1 問題的提出

《普通高中物理課程標準(2017年版)》強調(diào)演示實驗是師生共同探究物理問題的學(xué)習(xí)方式，也是體驗性較強的學(xué)習(xí)方式，指出教師應(yīng)該積極利用各種器材，積極創(chuàng)新實驗方式，盡可能多開發(fā)可視性強、證據(jù)性強、能引起學(xué)生濃厚興趣的演示實驗[1].“機械波的形成與傳播”是選擇物理的學(xué)生必須掌握的重點知識，同時也是難點知識.課標對這一節(jié)的要求是：“學(xué)生通過觀察，認識波的特征”.

在“機械波的形成與傳播”這一節(jié)的教學(xué)中，不少教師會利用一段普通繩子(沒有彈性)演示繩波，作為新課導(dǎo)入演示實驗，如圖1所示，并以此作為后續(xù)建立繩波模型的情景，如圖 2所示.圖1和圖2均來自粵教版高中物理教材(2019版).

圖1 繩波的演示

圖2 繩波模型

這導(dǎo)致學(xué)生很容易產(chǎn)生疑問：繩子在振動過程中，由于形狀發(fā)生彎曲，沿傳播方向的長度就會變短，而教材中給出的繩波模型中，繩子沿傳播方向的長度并沒有因為繩子形狀發(fā)生彎曲而變短.這樣會導(dǎo)致學(xué)生對于“質(zhì)點只在平衡位置附近振動”沒有直觀的認知，理解起來比較吃力；此外由于脈沖速度大以及反射波的干擾，用繩子演示橫波現(xiàn)象并不明顯.

常見的演示機械波的形成與傳播的儀器還有實驗室的傳統(tǒng)手搖橫縱波演示器.值得注意的是，這種儀器演示的不是真正的機械波，只能算是模擬機械波，而且存在一個致命的缺點，即停止搖動，波也會立刻停止.這容易導(dǎo)致學(xué)生形成“波源停止振動，波也不再傳播”的錯誤概念.

因此,在教學(xué)中用一般的繩子和手搖式橫縱波演示器來演示機械波經(jīng)不起論證，不合適.那么,如何才能真正演示機械波的產(chǎn)生和傳播特點,下面對現(xiàn)有機械波演示器作一對比.

2 機械波演示器的對比

梳理已有的機械波演示器，大致可以分為以下3類.

2.1 完全模擬橫波和縱波的演示器

這類演示器一般是靠機械傳動裝置(凸輪結(jié)構(gòu))帶動振子運動，產(chǎn)生橫波、縱波波形圖像.實驗室常見的手搖式橫、縱波演示器便屬于此類，如圖3所示(網(wǎng)絡(luò)圖片).

圖3 手搖式橫波、縱波演示器

手搖式橫、縱波演示器雖然廣泛存在各中學(xué)物理實驗室中，但存在嚴重的不足：

(1)傳統(tǒng)的手搖式橫波、縱波演示器各個質(zhì)點是獨立的，內(nèi)部結(jié)構(gòu)不可視；

(2)不能同時演示模擬橫波和縱波的波形圖像，即在同一裝置中，學(xué)生一次只能觀察其中一種波形圖像；

(3)停止搖動，波也會立刻停止，容易導(dǎo)致學(xué)生形成錯誤概念.

在此基礎(chǔ)上，實驗儀器廠家生產(chǎn)了可以同時觀察橫波和縱波波形圖像的演示器，克服了一些手搖式橫縱波演示器的不足，如圖4所示(網(wǎng)絡(luò)圖片).

圖4 22015波動演示器

這類橫波、縱波演示器操作簡單，只需握住手柄，逆時針轉(zhuǎn)動手柄，使所有振子歸位，成均勻直線排列，然后順時針轉(zhuǎn)動手柄，就能同時看到橫波和縱波的圖像.

有些發(fā)表的有關(guān)自制橫波、縱波演示器的文章[2]，所謂自制的波動演示器本質(zhì)上就是這種完全模擬的演示器，這表明有的教師對于機械波形成的本質(zhì)原因還存在誤區(qū)，對有些物理概念和物理規(guī)律的本質(zhì)理解不到位.

還有一種利用數(shù)字集成電路演示橫波、縱波圖像的CMOS數(shù)字集成電路波動演示器，如圖5所示(網(wǎng)絡(luò)圖片)，按動開關(guān)，調(diào)節(jié)好周期，即可演示橫波、縱波波形圖像.

圖5 CMOS數(shù)字集成電路波動演示器

此類機械波演示器，操作簡單方便，振子定位準確，圖像美觀，但不管如何改進都存在致命缺點.靠凸輪結(jié)構(gòu)機械傳動帶動振子運動或集成電路控制的波動演示器，沒有實際的橫波和縱波產(chǎn)生，只能反映振動和波動的圖像，但并不能反映機械振動狀態(tài)通過彈性力傳播而形成機械波這一物理本質(zhì)，即演示出來的現(xiàn)象并不是真正的機械波.

這類機械波演示器雖然演示的不是真正的機械波，但卻存在于各高校和中學(xué)的物理實驗室，很大的原因就是演示模擬設(shè)備雖然不能演示真實的機械波動現(xiàn)象，但通過向觀察者展示設(shè)備的實際操作，能讓高中生對理解抽象的振動和波動相關(guān)現(xiàn)象和知識有很大幫助.

2.2 演示真正機械波的單一演示器

2.2.1 利用彈性體扭曲形變演示橫波

利用彈性體扭曲形變可演示真正的橫波形成過程，如圖6(網(wǎng)絡(luò)圖片)所示.

圖6 彈性體扭轉(zhuǎn)形變橫波演示器

將一端有小球的支架固定在松緊帶上，使用前先調(diào)節(jié)支架間的距離，使松緊帶的松緊適宜.然后調(diào)節(jié)小球，使兩邊的小球都在同一直線上.演示時，撥動一端的小球使其上下振動，當(dāng)?shù)谝粋€擺球擺動起來后，松緊帶便會把驅(qū)動力傳遞到相鄰的擺桿上，其余小球依次受到力的作用，順序振動，形成橫波.

彈簧體扭轉(zhuǎn)形變橫波演示器演示的是真正橫波的形成過程.但此橫波演示器不適用于實際授課，該裝置與教材中提供的橫波模型配合不一致，學(xué)生不易理解接受.

2.2.2 共振擺改裝成橫波演示器

利用彈性繩子帶動相鄰的彈簧振子依次開始做簡諧振動，隨著時間推移，在空間上形成橫波,如圖7所示.用彈性繩子把足夠多的彈簧振子依次連接起來，使彈簧下端的小球水平排列成一條直線，控制好力度，用手使第一個振子做上下往復(fù)運動，第一個小球的振動通過彈性繩傳播下去，形成一列持續(xù)傳播的橫波[3，4].

圖7 利用懸掛起來的彈簧演示縱波

這種橫波演示器將擺球懸掛起來，避免了重力和摩擦力的影響，第一個做簡諧振動的小球的運動狀態(tài)在彈性繩的作用下，依次傳播到相鄰的小球，演示的是真正橫波形成的過程.但要想現(xiàn)場實驗效果明顯，可視性強，演示器要制作得龐大，會導(dǎo)致不易攜帶.

將彈簧用細線懸掛起來，控制彈簧圈的疏密程度，用手輕輕撥動與彈簧一端相連的振子，也可以用直流減速電機帶動曲柄連桿結(jié)構(gòu)使振子水平往復(fù)振動，便可以形成一列縱波[4]，如圖8(網(wǎng)絡(luò)圖片)所示.

圖8 彈簧式縱波演示器

懸掛式彈簧縱波演示器演示的是真正的縱波物理模型，相比教科書中，把彈簧直接放在地面上，把彈簧懸掛起來減小了摩擦力，振幅的衰減沒那么厲害，但在實際使用中，由于長彈簧容易損壞，體積小，容易導(dǎo)致演示效果不佳.

2.3 演示真正橫波和縱波的演示器

利用功放的振動或電機的帶動，可以讓與功放相連的繩子在水平方向形成橫波，讓與另一個功放相連的彈簧在豎直方向形成縱波[5].

調(diào)節(jié)功放的頻率和橡皮筋的松緊可以改變橫波的波長和振幅.通過調(diào)節(jié)彈簧的松緊和功放的轉(zhuǎn)速可改變縱波的波長和振幅.

(a)

(b)

這種機械波演示器存在以下優(yōu)點:

(1)演示的是真正的橫波和縱波模型；

(2)可同時演示橫波與縱波，讓學(xué)生對波的振動方向與傳播方向的關(guān)系有直觀的視覺對比；

(3)橫、縱波的波長和振幅是可調(diào)節(jié)的；

(4)調(diào)節(jié)功放功率，可以觀察共振現(xiàn)象.

可觀察到穩(wěn)定的波形，學(xué)生可直觀觀察到波的個數(shù)，進而更容易理解波長.當(dāng)然也存在一定的缺點：

(1)需要一定的造價成本，制作復(fù)雜.

(2)儀器比較小，不利于后面的學(xué)生觀察.

3 總結(jié)

綜上所述，對于橫波、縱波的演示，傳統(tǒng)的手搖式橫波、縱波演示器只能模擬機械波，演示的不是真正的機械波，存在致命缺陷.教師在選擇演示實驗時，應(yīng)該思考所選擇的實驗?zāi)芊穹从澄锢砀拍詈鸵?guī)律的本質(zhì)，在此基礎(chǔ)上考慮實驗方案的優(yōu)化.其余的演示真正機械波的演示器各自有自己的優(yōu)缺點，教師可以根據(jù)需要進行選擇和改進，例如利用功放振動的橫波、縱波演示器雖然存在裝置小，學(xué)生不易觀察的缺點，但教師可以采取投屏或錄像的形式展示在PPT中，這樣每個學(xué)生都可以看清.

機械振動在彈性媒質(zhì)中順次傳播形成機械波，新的波動演示器的設(shè)計制作應(yīng)反映這一物理本質(zhì)，應(yīng)使學(xué)生通過演示實驗直觀地理解振動與波動的關(guān)系.