多功能波动演示仪的设计与制作

发布时间:2020-06-27 12:48 论文编辑:admin 价格: 所属栏目:毕业论文

摘要:本文介绍了一款多功能波动演示仪的设计与制作方法,该装置可供中学教师在高中物理选修3-4机械波一章的教学过程中充当演示实验的装置。本装置可以实现横纵波传播、横纵驻波、共振三个现象的演示,同时可以探究波的频率与波长的关系。通过本演示仪的实验

摘要:本文介绍了一款多功能波动演示仪的设计与制作方法,该装置可供中学教师在高中物理选修3-4“机械波”一章的教学过程中充当演示实验的装置。本装置可以实现横纵波传播、横纵驻波、共振三个现象的演示,同时可以探究波的频率与波长的关系。通过本演示仪的实验现象,学生可以对所学的知识有一个形象的认识。除此,本装置亦可供学生动手调节,让学生在调节的过程中研究实验现象以加深对课堂所学知识的理解,同时提高动手实践能力。
关键词:横纵波;驻波;频率与波长关系;共振;
The Design and manufacture of wave demonstration instrument  
Abstract: This article introduces the design and production method of a multi-functional wave demonstration instrument, which can be used as a device for demonstrating experiments by middle school teachers during the 3-4 “mechanical wave” chapter of high school physics. The device can realize the demonstration of three phenomena of transverse and longitudinal wave propagation, transverse and longitudinal standing waves, and resonance. At the same time, the relationship between wave frequency and wavelength can be explored. Through this demonstration experiment, students can have an image of knowledge. In addition, this device can also be used by students to make adjustments, so that students can study experimental phenomena in the process of adjustment to deepen the understanding of the knowledge learned in the classroom, and at the same time improve their hands-on practical ability.
Keywords: Longitudinal wave; Standing wave ;Frequency and wavelength;Resonance;
1 引言
在高中物理人教版的选修3-4 “机械波”一章的学习中,波的传播、波的图像、波长与频率的关系是这一章的主要内容,需要学生对这些知识有基本的了解[1]。机械波难以观察,较为抽象,而在众多教学过程中学生只能够通过课本提供的图片进行想象,难以形成一个正确且深刻的认识。
物理教学中,演示实验对培养学生的创新精神和实践能力、全面提高学生的科学素养,形成科学的世界观和价值观至关重要[2]。对此,在对“机械波”一章知识以及对现有的相关教具的梳理后[3-6],本文设计出一款制作更简易、功能更多的演示仪。该演示仪可演示横纵波的传播过程、横纵驻波图像、波长与频率的关系探究、共振现象等。本装置能够实现对教材上的实验现象的演示以及扩展,使得学生可以通过观察实验现象再去理解本章的知识点,让学生在感受物理学习的乐趣的同时,加深对知识点的认识与理解。除此,本装置还可供学生进行操作,让学生在动手实验中感悟学科原理在应用中所蕴含的创新元素及学科的价值魅力[7]
2 仪器介绍
如图1所示为演示仪的正视图,本演示仪分为了演示横波的区域和演示纵波的两个区域。使用者可调节装置上方的数显电流调压模块[8]来改变振子振动频率,从而分别演示横纵波的传播过程以及横纵驻波的图像。
同时,在横波演示区域可通过调节振子振动的频率得到不同频率下的横驻波图像,从而探究波长和频率的关系。而在纵波演示区域可通过两根弹簧中间的乒乓球上下振动幅度大小变化来演示共振现象。
3 所需的材料
表格 1  使用材料参考表
使用的材料 数量(个)
拼装教具主框架的木板 1
小木块 3
弹簧 2
乒乓球 1
曲轴连杆 1
直流电机 1
数显直流调压模块 1
12V 6A电源适配器 1
笔杆和笔芯 1
磁铁和铁皮 1
热熔胶、AB胶、螺丝、导线、电阻、 若干
 
制作装置所使用的材料与具体数量可由读者自行调整。
4 制作过程
4.1 装置主体
取一块厚实的木板作为装置的背景板,同时在下端拼装出背景板的底座,使得背景板能够稳定地竖立摆放。
参考图1,使用AB胶将两块小木块固定到背景板左端,并在上方的木块拧上螺丝。
在背景板的右端的蓝色部分内固定一小块铁片,并且在一块小木块的底面使用AB胶固定一块磁铁,使得小木块能够在蓝色区域被吸附住且能被使用者移动,充当演示横波时的细绳调节器。
使用热熔胶将直流电机和电压调节器固定至背景板上提前钻好的孔上。
将曲轴连杆固定到直流电机上,并且在曲轴连杆上固定笔芯,使笔芯穿过固定在左下端木块上的笔杆。当电机转动时,笔芯可快速上下振动,充当振子的作用。
根据以上步骤操作并且对装置进行装饰即可完成装置主体的制作。
4.2 电路设计
按照如图2所示的电路简图设计电路,使用12V 6A的电源适配器进行供电,连接至数显直流调压模块输入端,由此可通过调压模块调节直流电机的转速。
为避免直流电机通电时电流过大,因此在模块输出端除了连接直流电机外,还应连接一个定值电阻以保护电路。
5 装置效果
5.1 横纵波的传播
横波是质点的振动方向与波的传播方向相互垂直的波。演示横波的过程中,将一根细绳一端固定在振子上,另一端与细绳调节器进行固定。如图3所示,在打开电源开关后,通过调节电压调整旋钮, 可以调节出一个横波进行快速传播的图像。在教学过程中,教师可使用慢动作拍摄,显示出一个更加完美的横波传播图像。
5.2 纵波的传播
纵波是质点的振动方向与波的传播方向在同一直线上的波。演示纵波的过程中,将一根弹簧一端固定在振子上,另一端固定在装置上方的木块的螺丝上。如图4,在调节电压后,可得到一个快速传播的纵波图像。在教学过程中,教师同样可使用慢动作拍摄,显示出一个更加完美的纵波传播图像。
 
5.3 横纵驻波图像
当同一直线上沿相反方向传播的两个振幅相同的相干波叠加时,在一定条件下可以形成驻波。在前两个实验的基础上可直接调整调节电压,使得横波区域出现横驻波,纵波区域出现纵驻波。
               
             图5  横驻波图样                                图6  纵驻波图样
5.4 波长与振动频率关系探究
在波动中,振动相位总是相同的两个相邻质点间的距离叫做波长。在横驻波中,两个相邻波峰或两个相邻波谷之间的距离等于波长。如图7所示,适当调节电压值可以使得横驻波出现两个波腹。随后通过加大电压值使得振子的振动频率加大,可以看到横驻波由两个波腹变成如图8所示的三个波腹甚至是多个波腹。由此,可以引导学生推理出,振动的频率越大时,波长会越小。
   
       图7  横驻波(两个波腹)                    图8   横驻波(三个波腹)
 
5.5 共振演示[9]
如图9,当系统做受迫振动时,如果驱动力频率十分接近系统的固有频率,系统的振幅会很大,当驱动力频率等于系统的固有频率时,受迫振动的振幅最大,这种现象叫做共振。
 
 
 
 
 
 
 
如图10,在纵波区域用一个乒乓球将两根弹簧连接起来后,将弹簧固定上振子和木块上,随后接通电源并增大电压以提高振子振动频率。在增大电压的过程中,乒乓球的上下振动幅度会逐渐增大,会出现振动幅度的最大值。随后继续增大电压,乒乓球的上下振动幅度减小,趋于平稳。通过观察完实验现象,教师可引导学生对共振现象去进一步认识。
6 结束语
本文介绍的多功能波动演示仪制作简单,材料容易获得,可以实现多种实验的演示,因此适合中学物理教师在教学的过程中使用。而激发学生的学习兴趣,帮助学生形成学习动机是教师在教学过程中发挥指导作用的重要环节[10]。通过该演示仪,学生可以在生活中观察到课本中阐述的现象,从而激发学生学习知识的兴趣,对知识点有更加深刻的认识。同时,该演示仪亦可供学生动手操作,让学生在操作过程中加强观察能力、动手能力、思考能力,提高学生的综合素质。 
 
参考文献
1人民教育出版社课程教材研究所物理课程教材研究开发中心. 普通高中课程标准实验教科书物理选修3-4探究活动报告册[M]. 人民教育出版社, 2013.
2 刘玲,姜晓梅.对高中物理演示实验进行创新的几点思考[J].物理教师,2016,37(02):11-14.
3 张发义.纵波横波演示仪的设计[J].教学仪器与实验,1996(06):1-2.
4 林丽婵,林锦芬,李德安.多功能共振-驻波演示仪[J].物理教学,2016,38(04):27-29+42.
5 杜倩,代伟,蒋金华,王漫.横波纵波波动演示仪[J].物理实验,2018,38(03):61-63.
6 钟文瑜,张军朋.共振系列实验教具的创新设计[J].物理通报,2016(05):70-72.
7 周长春. 整合各种版本教材资源 用活粤教版物理教科书[J]. 中学物理教学参考, 2010(6):8-11.
8 佚名. 电子技术基础[M]. 清华大学出版社, 2014.
9 黄倩纯,呼格吉乐.共振演示仪的制作与研究[J].电子世界,2014(04):171-172.
10 沈正杰.如何在物理实验教学中提升学生思维品质与创新能力[J].物理通报,2014(11):50-53.
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