巧用示波器做音叉共鳴實(shí)驗(yàn)

特古斯

(通遼職業(yè)學(xué)院內(nèi)蒙古 通遼 028000)

收稿日期：(2014-06-25)

示波器是一種用途十分廣泛的電子測量儀器，它可以直接觀察電信號的波形，測量電壓的幅度、周期、頻率等參數(shù).在實(shí)際應(yīng)用中凡是能轉(zhuǎn)化為電壓信號的電學(xué)量和非電學(xué)量如壓力、溫度、磁感應(yīng)強(qiáng)度、光強(qiáng)等都可以用示波器來觀測.共振是一種常見的自然現(xiàn)象,聲音的共振通常叫做共鳴.為了讓學(xué)生進(jìn)一步加深對共鳴知識的理解和掌握，筆者在物理教學(xué)中增設(shè)了利用示波器觀察共鳴現(xiàn)象的探究型實(shí)驗(yàn)供學(xué)生使用，取得了良好的教學(xué)效果.

1準(zhǔn)備材料

2458型示波器，HTD20A-1型壓電陶瓷片，音叉(440 Hz的2支，523.2 Hz的1支，493.9 Hz的1支)，共鳴箱一個，橡皮槌，鱷魚夾導(dǎo)線一對.

2實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，圖中HTD20A-1型壓電陶瓷片，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示.它的中間是鋯鈦酸鉛(PZT)晶體，晶體的一面粘在黃銅片上，另一面涂上導(dǎo)電材料，當(dāng)晶體受到機(jī)械壓力作用時，在它的兩面就會產(chǎn)生電勢差，這樣就把壓力信號轉(zhuǎn)變成電壓信號，即壓電效應(yīng).用電烙鐵在壓電陶瓷片的導(dǎo)電層和黃銅片上分別焊接長度為30 cm的兩條絕緣軟導(dǎo)線，在壓電陶瓷片黃銅片上粘雙面膠，然后將壓電陶瓷片粘在440 Hz音叉叉股底部，之所以不是粘在其他任意位置，是因?yàn)橐舨娌婀商幍膲弘娞沾善瑢σ舨婀逃蓄l率的影響很小.當(dāng)音叉發(fā)生共鳴時，壓電陶瓷片將音叉的聲信號轉(zhuǎn)換成電壓信號輸送到示波器，最終在示波器的熒光屏上顯示出表示聲音共鳴的簡諧振動波形.

圖1　實(shí)驗(yàn)裝置

①音叉A； ②共鳴箱； ③壓電陶瓷片； ④音叉B ；⑤示波器；

⑥壓電陶瓷片引出線；⑦音叉槌

圖2　壓電陶瓷片

①黃銅片； ②壓電陶瓷銀層； ③壓電陶瓷片引線

3實(shí)驗(yàn)步驟

(1)開啟示波器電源開關(guān),調(diào)節(jié)示波器各旋鈕位置.

(2)把“Y軸衰減”旋鈕調(diào)到1擋，“掃描范圍”旋鈕調(diào)到100擋.

(3)“Y增益”調(diào)到最大.

(4)將440 Hz音叉上壓電陶瓷片兩條電極引線分別與示波器的“Y輸入”和“地”兩個接線柱相連接.

(5)用手拿著440 Hz音叉B的根部,用力敲響音叉B,將振動著的音叉B靠近音叉A共鳴箱的開口處時，示波器熒光屏上出現(xiàn)簡諧振動波形,用手按住音叉A的叉股,波形立刻消失,再用力敲響音叉B靠近音叉A的共鳴箱開口處,波形又出現(xiàn)，當(dāng)把振動的音叉B遠(yuǎn)離共鳴箱開口處時，熒光屏上的簡諧振動波形仍然顯示著，而且這一顯示的波形延續(xù)幾十秒才能消失，其原因是：共鳴箱中的空氣柱在音叉B產(chǎn)生的連續(xù)正弦聲壓的振動作用下，發(fā)生了受迫振動，當(dāng)音叉B振動頻率恰好與空氣柱的固有振動頻率重合時發(fā)生了共振，又因?yàn)榭諝庵鸵舨鍭的固有頻率相同，或其中一個是另一個作為聲源的固有頻率的整數(shù)倍，故最終音叉A與音叉B發(fā)生了共鳴現(xiàn)象.

(6)再取幾個固有頻率與音叉A不相同的音叉C(329.6 Hz)、D(523.2 Hz)，同樣用手拿音叉C或D的根部,用力敲響音叉C或D,將振動著的音叉C或D靠近音叉A共鳴箱的開口處時，示波器熒光屏上顯示的是一條直線，而并沒有顯示簡諧振動波形,故最終音叉A和音叉C或D沒有發(fā)生共鳴現(xiàn)象.

此裝置，操作簡單、現(xiàn)象生動、富有想象力、效果明顯，對于培養(yǎng)學(xué)生善于使用示波器探究物理知識的能力很有幫助.