再现本质,制作物理仪器

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波动是物理的一个知识难点,主要是多个质点同时又不同步的运动,整体上看,形成了波在空间的传播,这些都需要较高的想象力和理解力,才能将其完全弄明白。若能用实验展示出波的成因、传播规律,则学生通过观察现象来理解会收到良好的效果。但教学中几种常用的波动演示箱只是对波的模拟,在说明波的成因、波的传播规律上缺乏科学依据,而在使用时的操作方法与振动波源无关,机械结构复杂,易损坏,成本高。在平时的教学中,根据波的成因、传播规律,我自制了横波演示仪,使用方便、效果明显。

材料的选择:

1.选择质地优良、平整的木板,长为2.0m、宽为1.0m、厚为3cm。2.选择橡胶球作为质点,质量为50-100g,体积与乒乓球差不多,需多备些,防止制作时损坏,橡胶球易于打孔,能减轻实验时噪声。3.橡皮条的选择应与球的质量相对应,具体依据实验确定,选择易观察到橡皮条明显伸缩,而又不能超过橡皮条的弹性范围为佳,橡皮条的伸缩变化明显对于理解波的产生机制有很大帮助。4.铁丝:直径为3.0mm,要硬度适中方便操作,又可作小球的轴。4套螺栓螺母。小轮(衣橱门的轮)8个。

工具:打孔器、钳子等。

制作过程:

先对木板处理,这部分可以让木工协助完成,首先要把木板整平、刨滑,在四个边角上打孔,孔略小于螺母的外径,照螺母的外型修整,用胶把螺母固定在孔中,装上螺栓,拧上螺栓做腿,可以方便调整木板的水平,这样可以降低小球重力对实验的影响。选择其中一宽边的中点为原点o,宽边为纵轴,过o作横轴,以厘米为单位作刻度,在(0.5m,0)、(1.0m,0)、(1.5m,0)、(2.0m、0)处开四个槽,槽的宽度为0.4mm左右,长为0.8m,与纵轴垂直,把槽的毛刺去掉打光滑。在木板的背面四个槽的两边做上轨道,轨道的大小根据轮子的情况而确定,保证轮子灵活运动。

对小球的处理,用打孔器打孔,这个工作要细心,孔必须过球心,孔的直径应略大于铁丝的直径,而且光滑,必须保证每个球能灵活地转动;并且在每个球上都编号(0,1,2,3,…)。

将铁丝取直,截成长度略大于球的直径5mm的短条,让短铁丝穿过球。然后把橡皮条截成10cm的短条,用截好的橡皮条依次把小球连接在一起,要把铁丝与橡皮条固定牢,固定点的大小要超过孔的直径以防止球脱离轴。放到木板上,把位于槽处的球打孔(与原孔垂直,过圆心,打一半即可),用铁丝做成T型支架,用T型支架把处于槽的位置的球与轮子连接好,放到轨道上,只能沿槽的方向运动,目的为从整体上限制波平衡位置不随振动摆离,装置即可完成。

仪器的应用:

在教学过程中,完全可以用来演示与横波相关的实验。在讲到横波产生原因时,让一个学生拿住0号小球沿纵轴做简谐振动。教师指导其他学生仔细观察实验现象,教师不要多做提示,以便培养学生的观察力;细心的学生很快观察到波的成因,振源的振动带动了后面质点的振动;还可以发现橡皮条的伸缩变化情况,橡皮条的伸缩反映了分子间的引力变化,由此学生对横波的产生机制有了深刻认识,有利于学生理解波的产生机制,这样一个抽象的事物便很直观地展示出来。对于讲解介质(例如空气)为什么不能传播横波的问题,这个仪器也可提供帮助。

讲波在介质中的传播过程,质点的运动情况时,更是一目了然,后面的质点总是落后于前面的质点而重复前面的质点的运动。讲解时应选择没有受槽约束的小球分析,学生会明确每个小球在各自的平衡位置独立地做简谐运动,并没有随波的运动而移动,相对于横轴的位置没变。无须教师多说强调,学生会记忆犹新,更深刻地意识到质点不随波移动。讲到波峰与波谷时,很明显看到凹凸的波形,并可以看到波峰、波谷的移动(仪器越长这种现象效果越好),而且通过橡皮条的伸缩,可以反映能量的转化过程,明确波传递的是能量。

通过这个演示仪可以把波的全貌毫无保留地展现出来,讲抽象的难理解的波,用真实的、形象的仪器来说明,胜过教师的千言万语,学生已经对波的产生、传播及规律一览无余,都铭记在心。

不足之处有:1.为了波形的稳定选取了几个固定质点,这可能会使学生产生误解,教师须说明为稳波形采取的措施。2.小球的滚动会使学生产生错觉,教师还需讲明,质点并没有做这样的运动,是由于受到木板摩擦而造成的。3.不能将其竖放,对观察有一定的影响,由于体积较大这点影响不大。

改进措施:若将木板换成透明塑料,则可以按比例缩小,放到投影仪上使用,效果也可以,体积小,便于携带,但不便观察橡皮条的伸缩。