弹簧纵波演示仪的制作，本文主要内容关键词为：纵波论文,弹簧论文,演示论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
在中学物理的学习过程中，我们知道机械波是由于机械振动而产生，依靠介质内部机制传播的机械运动，根据振动方向与传播方向的不同分为横波和纵波。横波是指介质中各个质点的振动方向与传播方向相互垂直的波，如绳波和弹簧横波；而纵波则是指介质中各个质点的振动方向与传播方向平行的波，如声波和弹簧纵波。对于横波的理解我们可以借助于绳波的形成过程，绳中各部分之间通过相互作用的弹力联系起来，当靠近振源的质点开始上下振动时，它将带动与其相邻的下一质点作相同的振动，后一个质点的运动状态总是滞后于前一个质点的运动状态。绳中各质点的振动总是在各自的平衡位置附近振动，并没有随波的传播而发生迁移。即机械波是一种通过介质将振源的振动信息向外传播的一种运动形式。通过这一教学手段，让学生理解横波的特点不难，但是对于纵波而言则很少有较为形象直观的演示教具或演示实验。纵波在传播过程中，引起传播方向上的介质密度不断发生变化，对弹簧纵波而言，弹簧上各个质点在各自的平衡位置作左右运动，各质点之间时而靠近、时而疏远，引起弹簧疏密程度发生变化。对于这部分内容进行教学时，我们常常会根据纵波的特征画出波传播时的各质点的振动示意图，从而给出相应的结论。采用这种教学手段教学时，由于缺乏相应的演示教具，学生不能够形象直观地观察实验现象，因此整个教学效果不会太理想。为了让学生更好地学习和理解该部分内容，可以通过拨动弹簧来观察弹簧的振动过程，从而观察到弹簧在振动过程中的密部和疏部的变化情况。我们这个演示教具就是基于这一思想而设计的。 一、设计思想 教科书上的演示实验示意图如图1所示，一弹簧水平放置在桌面上，一端固定在桌面上，另一端用手使其水平方向上左右振动。该波向右传播经固定端反射后，与向右传播的波进行振动叠加，当手施加的驱动频率大小合适的情况下，在弹簧上可以形成稳定的驻波，即某些位置弹簧间距大，某些位置弹簧间距小，这就是弹簧的疏密波。这个演示实验在演示实验过程中会遇到以下困难：1.手对弹簧施加的驱动频率不能保证恒定，与手摆动的频率和幅度有关；2.手在左右移动的过程中，会有侧向摆动，传播速度的方向与弹簧的轴线不完全重合；3.弹簧与水平面之间存在着摩擦力，导致波在传播过程中振幅衰减比较厉害。
针对该装置的缺陷，我们设计了如图2所示的演示教具。我们用直流减速电机驱动弹簧振动，振动的频率与电机的转速有关，电机的转速可通过电压来调节，这样就可以实现对弹簧振动频率的连续可调。当电机的驱动频率与弹簧自身的固有频率接近时则可以形成疏密相间的弹簧驻波，进而演示出弹簧纵波。为了减小驱动部分的左右摆动，将驱动杆限制在底座的限位孔内。将弹簧的一段固定在右侧支架上，使其作为固定端，另一端则固定到驱动杆上，使其均匀振动，振动频率由驱动杆的驱动频率决定。同时将圆盘弹簧等间距地固定到支架上，左右振动过程中每一个悬挂点做类似单摆运动。由于摆长较长，每一处弹簧的摆动可以近似考虑成水平方向的往复运动。这些针对原有装置的改进策略也正是本实验装置的设计思想。
二、制作过程 （一）装置外观的制作 将两块长1240mm、宽70mm，两块长200mm、宽70mm，以及一块长1240mm、宽200mm厚度均为10mm的PVC发泡板组成如图2所示的装置底座。距离装置底板两侧边缘50mm的中央位置钻两个直径20mm的圆孔，用于固定由φ20mm不锈钢钢管组成的长1140mm、高520mm的支架。在装置底板的两个圆孔中心的连线上距离左侧圆孔中心约40mm的位置加工长40mm、宽20mm的方孔，作为曲柄连杆的限位孔。将内径75mm、外径80mm、高100mm的薄片弹簧的两端固定到直径110mm、厚10mm的PVC发泡板上，用铁片将其一端固定到支架上，作为弹簧振子的固定端，另一端则固定到曲柄连杆上。用细线将弹簧等间距的悬挂在支架上，细线之间的间距约为80mm。 （二）曲柄连杆机构的制作 本装置我们考虑使用直流减速电机作为驱动动力，使用曲柄连杆机构将电机转轴的圆周运动转化成水平方向的一维直线往复运动。曲柄连杆机构装置由直流减速电机（1）、转轴连接杆（2）、活动连接杆（3）、限位杆（4）、限位套（5）以及竖直连杆（6）等部分构成，其装置示意图如图3所示。
选用一块长35mm、宽10mm、厚5mm的铝块在其几何中心处钻一直径为6mm的圆孔，距离中心10mm位置处钻一直径为3mm的圆孔，作为转轴连接杆。选用一块长100mm、宽10mm、厚5mm的铝块在其中心线两端分别钻一直径为3mm的圆孔，圆孔中心的间距为90mm，作为活动连接杆。选用长85mm、宽15mm、厚10mm的玻璃纤维板作为限位杆，一端开长10mm、厚5.5mm的槽口，槽口两侧中心位置钻两个直径为3mm的圆孔，使其作为活动连接杆的转轴，另一端则固定到竖直连杆上。限位套可用两块长50mm、宽10mm、高10mm的PVC发泡板以及两块长约60mm、宽约35mm的玻璃纤维板组成。 （三）直流稳压电源的制作 直流减速电机的供电电源由变压器、整流二极管、三端集成可调稳压器LM317、电阻以及滤波电容等构成，其电路原理图如图4所示。实验时通过调节电阻
的阻值，从而改变输出电压的调压比
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的大小。我们选用的直流减速电机的空载转速为125rpm，从而可以将该直流减速电机的转速控制到实验所需的范围内。
依次将直流减速电机、曲柄连杆机构、变压器、滑动变阻器、电源开关等固定到底板支架上，调节相应的位置，使连杆能够自由转动。 三、教学演示过程 仪器制作完成后，检查各个活动部分之间是否能够自由滑动，调节固定薄片弹簧的两个固定端和细线的高度，使其在振动过程中薄片弹簧最低点距离装置底板的距离约20mm。打开电源开关，调节转速调节旋钮，使薄片弹簧作往复运动。调节转速调节旋钮到某一转速时，薄片弹簧在传播过程中就看见某些位置的弹簧间距大，即疏部，某些位置的弹簧间距小，即密部，并且振动图像稳定，这就是稳定的弹簧驻波现象，此时最容易观察和分析弹簧纵波的相关特性。弹簧左右振动时，不同时刻弹簧各位置的波动图像如图5所示，这两个时刻弹簧上各位置的密部和疏部正好相反，从而证明了质点在波传播过程中并没有随波迁移，而是在各自的平衡位置作往复运动。
四、作用及效果 弹簧纵波演示实验教学仪采用直流减速电机作为驱动源，弹簧在驱动力的作用下做往复运动，驱动频率通过电压进行调节。克服了用手摆动作为信号源的所引起的信号驱动频率不稳定的缺点。信号驱动端的振幅大，约20mm，弹簧疏密部的间距区别明显，能够满足实验要求。用细线将弹簧薄片悬挂起来，有效限制了弹簧纵波在振动过程中的左右摆动，使其约束为一维运动。摆线长400mm，振幅约20mm，通过计算可以得出摆动角度为2.8度。从单摆运动的相关特点可以得出，物体在较小的摆动角度下，可将其近似处理成单摆运动，即摆球可近似认为是一维往复运动。本实验中弹簧通过细线悬挂，做成一个个类似单摆的形式，弹簧的运动就可视为水平方向的一维运动，消除了弹簧与桌面之间的摩擦力，还减小弹簧自重和外界扰动对实验的影响。 振动过程中，各个位置的弹簧间距也是随着时间的变化而变化，不是固定不变的。实验效果较好，能够明显区分弹簧波的密部和疏部，便于学生加深对弹簧纵波的理解，相邻密部或疏部之间的间距为一个波长。改变转速调节旋钮，提高驱动频率，使其工作稳定后，弹簧密部之间的间距变小，反之则变大。说明纵波的波长与弹簧的驱动频率有关，频率越高，在相同长度内观察到的波数越多。 通过本实验演示教具能够将纵波的相关特点展现出来，使学生对纵波的理解更加深刻。同时本教具的弹簧直径较大，可视性强，更易于学生观察。
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