基于声振动的机械波干涉与衍射实验 / 开普饭

摘要：应用手机Frequency Sound Generator软件提供单频率声波, 通过音响将声波振动放大, 再借助水波, 将干涉与衍射现象可视化, 再通过改变相关变量, 对机械波干涉的条件进行验证.

关键词：干涉; 衍射; 机械波; 频率; 相位差;

在高中物理教学中, 有关机械波干涉与衍射的实验相对较少, 本文应用手机Frequency Sound Generator软件提供单频率声波, 通过音响将声波振动放大, 引起水槽中水波的振动, 让机械波的干涉与衍射可视化.

1 实验装置设计

演示机械波干涉与衍射实验的实验装置图如图1所示.

图1 实验装置

1.1 制作材料

水槽, 音响, 台灯, 摄像头, 较轻的铁轨道, 小木板2块, 小木棒2根, 纽扣型强磁铁2块, 螺母2只, 胶水, 梯形玻璃砖2块.

1.2 实验仪器制作过程

1) 在小木棒的一端固定1块纽扣型强磁铁 (组成小振锤) , 并使其可以吸附在铁轨上, 另一端固定1只螺母.

2) 准备2套音响, 每套只留其中1个, 用小木棒将音响喇叭与轨道用胶水粘在一起.

3) 找透明的水槽, 将其侧面用黑色防水胶带包裹起来, 确保侧边不漏光.

4) 准备大小适合的LED台灯, 调整台灯亮度和角度, 使其尽可能照到整个水槽.

5) 用手机Frequence Sound Generator软件播放单频率的声波, 声波使音响喇叭振动, 而音响喇叭带动振锤振动, 产生2列同频率的水波, 进而观察干涉现象.

6) 将2块梯形玻璃砖并列放到水槽中, 形成单缝, 将振锤接入水槽中, 观察水波通过单缝时发生的衍射现象.

7) 为使实验现象更加明显, 可以将水波图样投影到屏幕上进行观察, 同时调整摄像头的位置, 避免反光, 使得条纹最明显.

2 实验操作及现象分析

2.1 衍射现象演示

向水槽中加入适量水, 在连接音响的轨道中插入振锤, 用2块玻璃砖排摆放成单缝, 输入频率为15Hz声音, 即可观察到如图2所示水波单缝衍射现象.

图2 水波衍射图

2.2 干涉现象演示

在演示干涉现象时, 应用1套音响连接2个振锤, 然后用手机Frequency Sound Generator软件输入15Hz声音, 由此可以观察到的水波干涉现象, 如图3所示.

图3 同频率水波干涉图

2.3 干涉条件验证

2列机械波要发生干涉, 必须满足频率相同、振动方向一致、相位差恒定的条件, 由于水波的波长较大, 很容易实现相位差恒定, 因此该实验设计中对其不进行考虑, 只对频率和振动方向2个条件进行验证.

1) 验证机械波干涉与频率的关系

为验证只有频率相同的2列声波才可以发生干涉, 故左边音响输入15Hz声音, 右边音响输入30Hz声音, 观察实验波形如图4所示.

图4 不同频率水波干涉图

与同频率的水波干涉图样 (图3) 相比较, 不同频率的水波干涉图样振动缺乏规律性, 没有明显的振动加强区和振动减弱区.因此可以验证, 只有满足振动频率相同的2列波才能发生干涉, 不同频率的2列水波相遇时只是简单非相干叠加, 从而引起水面的无规律扰动.

2) 干涉叠加区的确定

干涉现象主要分布在2个振源的连线的中垂线上及中垂线两侧, 因此在该区域2列波的振动方向是一致.用对应的方法找出实际波形图中的振动加强区和减弱区 (图5) .

图5 振动叠加区分布图

通过观察可以看出, 实际干涉图样中, 振动加强区和减弱区也分布在振源间连线的中垂线上及其两侧, 因此在实验过程中选择该区域为观察区.

3 结束语

该实验借助声源振动演示机械波干涉与衍射现象, 不仅改进了该实验, 也启发了中学物理教师的创新思维, 物理教师不仅应该从物理知识上懂得物理实验, 物理操作技能上达到会做物理实验, 更应具有研究物理实验的能力.

基于声振动的机械波干涉与衍射实验