便攜式縱駐波演示儀的制作＊

梁法庫 路峻嶺 耿 志 陳麗娜 遲卓君

（1齊齊哈爾大學(xué)理學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006；2清華大學(xué)物理系，北京 100084）

便攜式縱駐波演示儀的制作＊

梁法庫1路峻嶺2耿 志1陳麗娜1遲卓君1

（1齊齊哈爾大學(xué)理學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006；2清華大學(xué)物理系，北京 100084）

介紹一種利用電磁感應(yīng)原理得到可調(diào)的諧振信號(hào)，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器產(chǎn)生穩(wěn)定的諧振動(dòng)，使振動(dòng)在特制的彈簧中形成駐波，研制出了便于教師攜帶的、適合學(xué)生們自制、可在普通課堂上演示的縱駐波實(shí)驗(yàn)儀器.

實(shí)驗(yàn)儀器；縱駐波；便攜式；彈簧

駐波是一種波的特殊疊加現(xiàn)象，而縱駐波的演示較困難，實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)傳播介質(zhì)和振源的頻率精度（穩(wěn)定性）要求較高，使用一臺(tái)性能穩(wěn)定的振源是做駐波實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵.以往的駐波演示儀，主要是演示橫駐波的，一般是將繩的一頭系在打點(diǎn)計(jì)時(shí)器（或偏心電動(dòng)機(jī)）上，另一頭固定且可以調(diào)整長度，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器工作時(shí)產(chǎn)生50Hz振動(dòng)，將振動(dòng)傳遞給繩，通過調(diào)整繩的長度，可以看到橫駐波現(xiàn)象.而演示縱駐波的儀器相對(duì)較復(fù)雜，需要一臺(tái)足夠輸出功率的振蕩發(fā)生器，產(chǎn)生可調(diào)電壓、頻率的正弦波輸出，在輸出電源上接揚(yáng)聲器，揚(yáng)聲器紙盆產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，將振動(dòng)傳遞到懸掛的鋼性螺旋彈簧上.通過調(diào)整振源輸出頻率，就可以看到彈簧上出現(xiàn)縱駐波現(xiàn)象.無論橫駐波還是縱駐波，要想做實(shí)驗(yàn)，就必須去實(shí)驗(yàn)室，搬動(dòng)笨重的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，經(jīng)過一陣細(xì)心調(diào)整后，才能做實(shí)驗(yàn).如此煩瑣的實(shí)驗(yàn)，要想帶入課堂，似乎是不可能的.特別缺少課堂上的縱駐波演示儀器.我們在講授大學(xué)物理課程時(shí)，根據(jù)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的宗旨，指導(dǎo)鼓勵(lì)學(xué)生參與研制，充分發(fā)揮學(xué)生現(xiàn)有的知識(shí)，有效地利用大學(xué)物理知識(shí).經(jīng)過近十余次的改進(jìn)、研制出了一臺(tái)適合學(xué)生制作的，能帶入普通課堂，具有一體化、質(zhì)量輕（小于1.5kg）、小巧精致、易于調(diào)整、使用安全、造價(jià)低廉、故障率低和實(shí)驗(yàn)效果明顯等優(yōu)點(diǎn)的便攜式縱駐波演示儀.經(jīng)過幾個(gè)學(xué)期在大學(xué)物理課堂上使用，受到教師和同學(xué)們的好評(píng)，使同學(xué)們受到鼓舞，激發(fā)了同學(xué)們的創(chuàng)新精神，提高了創(chuàng)新能力，在此給予介紹.

1 儀器結(jié)構(gòu)與制作原理

圖1為裝置圖，振動(dòng)傳播介質(zhì)為特制的由直徑1mm的金屬絲制成的、螺環(huán)距5mm和環(huán)圈直徑為5cm的彈簧.彈簧的伸長由折疊雨傘桿伸縮改變，在控制面板上只有5個(gè)口，分別是頻率輸出口，電源開關(guān)，振幅調(diào)整旋鈕，頻率調(diào)整旋鈕，電源指示燈.頻率輸出口引出的兩根線接在有頻率計(jì)功能的萬用表上，用于顯示振動(dòng)頻率；電源開關(guān)控制儀器的開啟與關(guān)閉；振幅調(diào)整旋鈕與頻率調(diào)整旋鈕分別調(diào)整振源起振的振幅與頻率；電源指示燈指示儀器是否在運(yùn)行.

圖2為縱駐波演示儀原理圖，我們的辦法是用一塊從廢舊硬盤中拆來的交流同步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生交流信號(hào).也就是用可穩(wěn)定控制轉(zhuǎn)速的直流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)交流同步電動(dòng)機(jī)，交流電動(dòng)機(jī)的3組星型連接線圈產(chǎn)生3組同頻率感應(yīng)電壓.一組感應(yīng)電壓經(jīng)功率放大后驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)；另一組感應(yīng)電壓通過升壓變壓器的升壓和電容濾波后，與頻率計(jì)連接，顯示振動(dòng)頻率數(shù)值.

穩(wěn)定控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速使用的是AN6650穩(wěn)速集成塊.通過它穩(wěn)速后的電動(dòng)機(jī)，只要負(fù)載不超過集成電路的最大負(fù)載，就能保證電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速高度準(zhǔn)確，且可通過調(diào)整可調(diào)電阻控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速.將直流電動(dòng)機(jī)與交流同步電動(dòng)機(jī)并排固定，用皮帶傳遞轉(zhuǎn)矩.這樣交流同步電動(dòng)機(jī)就產(chǎn)生3組同頻率正弦波感應(yīng)電壓.調(diào)整AN6650電路的可調(diào)電阻，精確控制直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，也就得到頻率穩(wěn)定的3組正弦波感應(yīng)電壓.通過調(diào)節(jié)電路中可調(diào)電阻的阻值，也就是控制揚(yáng)聲器的振動(dòng)頻率.此電路的電源來自鉛酸蓄電池，12V電壓經(jīng)過7805穩(wěn)壓集成塊后變?yōu)?V，再用一個(gè)硅二極管產(chǎn)生0.7V壓降，最后給穩(wěn)速電路提供4.2V電壓（或由兩節(jié)干電池驅(qū)動(dòng)，工作電壓為3V，電流約65mA）.

對(duì)于萬用表頻率計(jì)讀數(shù)的顯示，因我們用的同步交流電動(dòng)機(jī)的一組線圈直接產(chǎn)生的感應(yīng)電壓只有0.08V～0.23V，而我們用的萬用表頻率計(jì)的最小顯示靈敏度是峰值電壓超過1V的交流電.如果直接將萬用表與交流電動(dòng)機(jī)連接，電動(dòng)機(jī)工作時(shí)萬用表沒有讀數(shù).所以我們用了一個(gè)220V轉(zhuǎn)6V的降壓變壓器，將低壓線圈與交流電動(dòng)機(jī)連接，而高壓線圈與萬用表連接.變壓器工作時(shí)將電壓升到0.82V～1.35V.同時(shí)變壓器的初級(jí)、次級(jí)線圈分別并聯(lián)合適容量的電容起到穩(wěn)壓、濾波作用，大大提高儀表的工作穩(wěn)定性.

同步交流電動(dòng)機(jī)的另一組線圈直接與功率放大器連接.考慮到儀器的工作頻率為17～54Hz，所以我們選擇使用低音炮專用的低音音頻功率放大器.這樣就得到足夠功率的電流來驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器做正弦波機(jī)械振動(dòng).通過調(diào)節(jié)功率放大器的音量旋鈕，控制揚(yáng)聲器振動(dòng)的振幅.此電路的工作電壓為12V，電流約500mA，由上文中提到的鉛酸蓄電池組驅(qū)動(dòng).

儀器在裝配時(shí)，用塑料飯盒做外殼，具有色彩艷麗、價(jià)格低廉、便于加工、使用安全等優(yōu)點(diǎn).

2 儀器使用方法

1）圖3為實(shí)物圖.將儀器平穩(wěn)地放在講桌上，一手壓住儀器，一手向上拉起支架，支架可拉長為原長的3倍.背景采用與彈簧色彩對(duì)比明顯的紙面或布簾.

圖3

2）將頻率輸出口的兩根導(dǎo)線分別插在萬用表的地線和電壓線接口上，開啟萬用表，將功能盤調(diào)到“Hz”檔.

3）調(diào)整振幅旋鈕至最大值的1/3，打開儀器的電源開關(guān)，慢速調(diào)整頻率旋鈕，觀察彈簧的振動(dòng)情況，當(dāng)頻率合適時(shí)，再經(jīng)微調(diào)頻率旋鈕，使彈簧的駐波現(xiàn)象明顯.

經(jīng)過三步調(diào)整，調(diào)整結(jié)束.此時(shí)彈簧上出現(xiàn)駐波現(xiàn)象，彈簧不是整體振動(dòng)，而是有波腹振動(dòng)，波節(jié)靜止，相間的波腹和波節(jié)出現(xiàn)，萬用表顯示的就是當(dāng)前的振動(dòng)頻率.隨著揚(yáng)聲器振動(dòng)頻率的改變出現(xiàn)的波腹與波節(jié)的位置也隨之改變，我們選用折疊雨傘桿作為彈簧伸縮調(diào)節(jié)，可以使彈簧分布成均勻和非均勻兩種情況進(jìn)行演示，也就是可以演示均勻介質(zhì)和非均勻介質(zhì)的駐波分布.從圖3可見駐波圖像清晰的不動(dòng)波節(jié)和圖像模糊的振動(dòng)波腹，當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)的頻率為22Hz，相鄰波節(jié)間距為6個(gè)環(huán)距離.

3 注意事項(xiàng)

用蓄電池驅(qū)動(dòng)儀器，對(duì)于使用者來說，是方便了很多，安全性也大幅度提高，但經(jīng)過幾節(jié)課后，蓄電池的電能可能消耗殆盡，無法繼續(xù)使用.這時(shí)就需要充電.將專用充電器高壓端插在220V照明電源插座上，低壓端插在儀器的另一面的充電接口上.完成充電一次需要3至4個(gè)小時(shí).由于用的是鉛酸蓄電池，所以蓄電池嚴(yán)禁長時(shí)間處于無電狀態(tài)；如果長時(shí)間不使用儀器，也應(yīng)每隔兩個(gè)月充電一次，以保證蓄電池性能不會(huì)失效.

雖然，我們介紹的縱駐波實(shí)驗(yàn)儀器在制作中不是最優(yōu)化的，但是可以反映出學(xué)生們在研制過程中利用大學(xué)物理知識(shí)的探究精神，即利用直流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)交流同步電機(jī)產(chǎn)生交流信號(hào)驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，用特制彈簧方便地實(shí)現(xiàn)了課堂縱駐波的演示，解決了以往大學(xué)物理教師上課難以演示縱駐波的問題，同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生們創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力.

［1］ 梁法庫，徐寶辰，劉道森.非均勻介質(zhì)的駐波演示及分析［J］.物理與工程，2005，15（4）：59～60

MANUFACTURE OF PORTABLE EXPERIMENT DEMONSTRATOR OF THE LONGITUDINAL STANDING WAVE

Liang Faku1Lu Junling2Geng Zhi1Chen Lina1Chi Zhuojun1
（1Department of Physics，Qiqihar University，Qiqihar，Heilongjiang 161006；2Department of Physics，Tsinghua University，Beijing 100084）

This paper introduced a kind of experiment demonstrator，by which an adjustable harmonic signal can be obtained by electromagnetic induction principle.The stable harmonic resonance can be produced by a driving loudspeaker and form standing wave in the tailor－made spring.This apparatus can demonstrate the experiment of longitudinal standing wave in ordinary class，which is portable for teachers and suitable for students to make by themselves.

experiment apparatus；longitudinal standing wave；portable；spring

2009－11－03）

黑龍江省教育廳2007年科學(xué)技術(shù)研究面上項(xiàng)目（11521309）；獲得2007年教育部教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)優(yōu)秀儀器三等獎(jiǎng).

梁法庫（1963年出生），男，黑龍江拜泉人，齊齊哈爾大學(xué)物理系教授，主要研究方向：彈性波、基礎(chǔ)物理、物理演示實(shí)驗(yàn)研制及科技教育研究.