利用教學(xué)變頻電源定量探究水的表面波波速大小

王 輝 房慶安

(江蘇省蘇州第十中學(xué)校,江蘇 蘇州 215000)

在物理人教版選修3-4教材中,當(dāng)講述到“波長,頻率和波速關(guān)系”一章節(jié)時,課本中提到“機械波在介質(zhì)中的傳播速度由介質(zhì)本身的性質(zhì)決定．”關(guān)于這段內(nèi)容的解讀和講授,任課教師通常會以實驗已知或課本表述而一筆帶過．造成這一授課現(xiàn)象的根本原因是由于缺乏相關(guān)演示實驗或視頻．為了能解決這一難題,將課本知識還原于實驗,筆者在學(xué)校實驗室老師的幫助下搭建了如圖1的實驗演示裝置,用以測定水波波速大小的定量探究實驗．該實驗需要如下儀器:透射式投影儀,教學(xué)用變頻電源,振動臺,發(fā)波水槽．

圖1 實驗裝置

具體的制作和裝配流程如下.

利用鋁合金型材制作振動連桿,以保證在振動過程中不出現(xiàn)多余的反彈;一端連接起波柱頭,另一端通過螺絲與振動臺緊密連接(如下圖2)．

發(fā)波水槽底部用油性筆畫上刻度,以2 mm為基本單位畫線,避免太密集造成投影不清晰;側(cè)邊黏貼泡沫膠,以減小反射波對實驗的影響(如下圖3);加適量水,大約2 cm深,以剛碰到起波柱頭為宜．

圖2 振動臺、連桿和起波柱頭連接

圖3 發(fā)動水槽

調(diào)節(jié)教學(xué)變頻電源的輸出頻率,利用手機錄像截屏的方式,得到不同頻率下水的表面波的波形圖,根據(jù)相鄰亮紋間距為半波長的關(guān)系,測量得到對應(yīng)的表面波波長大小,整理如表1.

表1 頻率和波長的數(shù)據(jù)表

圖4 頻率和波長的關(guān)系

將波長取倒數(shù),得到如下與頻率的關(guān)系

利用Excel的圖線擬合功能,根據(jù)波長、頻率和波速的關(guān)系,v=λf,得到該表面波波速為v=0.463 m/s,顯然波速與振動源的振動頻率無關(guān),為一定值．

說明:本實驗在振動頻率大于12 Hz時效果較好,表面波的明暗相間條紋清晰;當(dāng)振動頻率小于12 Hz時明暗條紋分布不清晰,分析其原因為,當(dāng)振動源振動頻率減小時,起波柱頭入水和出水時間將延長,在上述過程中會產(chǎn)生若干表面波,相互之間疊加,造成水波圖樣不夠清晰．

表2 頻率和波長倒數(shù)的數(shù)據(jù)表

圖5 頻率和波長倒數(shù)的關(guān)系

本實驗設(shè)計的初衷主要是為了讓學(xué)生在課堂上能直觀感受波速與振動頻率無關(guān)這一知識點,因此在測量上比較粗糙,表現(xiàn)在波長的判定測量,水深的設(shè)定等等,但基于課堂而言這個誤差還是可以接受的．

對本實驗后期的改進措施有:選擇不同深度的水體,探究水體深度對水面波波速的影響;換用不同的液體,如一定濃度的酒精水溶液,海水,雪碧等透明液體,探究溶液種類對波速的影響．進而得到“波速僅由傳播介質(zhì)決定”這一結(jié)論．