姚 潔 翁 華

(1.南京師范大學物理科學與技術學院，江蘇 南京 210023；2.江蘇省南京市外國語學校，江蘇 南京 210000)

兩列同方向同頻率波疊加的演示實驗*

姚 潔1翁 華2

(1.南京師范大學物理科學與技術學院，江蘇 南京 210023；2.江蘇省南京市外國語學校，江蘇 南京 210000)

筆者利用聲速測定儀產(chǎn)生兩列同方向同頻率并且相位差連續(xù)可調的波，利用雙蹤示波器將這兩列波以及它們的疊加結果清晰地呈現(xiàn)出來，生動形象的實驗現(xiàn)象有助于學生理解和掌握波疊加的知識。

波的疊加；聲速測定儀；雙蹤示波器

1 引言

波的干涉現(xiàn)象存在于生產(chǎn)生活實踐的各個方面，它可以是橫波的干涉，也可以是縱波的干涉；可以是電磁波的干涉，也可以是機械波的干涉。深入理解并掌握波的干涉條件和現(xiàn)象，對于學生認識事物的物理本質，培養(yǎng)物理學科核心素養(yǎng)具有重要意義。理解波的干涉，關鍵是掌握波的疊加原理。由于學生對三角函數(shù)的數(shù)學知識不太熟練，對于兩列同方向同頻率的波疊加以后的結果，往往從形式上進行記憶，而課堂上教師除了運用公式說明現(xiàn)象外，常常借助圖像或由特定軟件制作的動畫來幫助學生理解波疊加的特點。這可以起到一定效果，但物理是一門實驗科學，純粹靠軟件顯然是不夠的。本文提出：可以采用聲速測定儀配合雙蹤示波器來演示兩列波的疊加，通過各種實驗現(xiàn)象將波的疊加結果具體表現(xiàn)出來。

2 實驗設計

在如圖1所示的實驗裝置中，聲速測定儀由聲波信號源和實驗架兩部分構成。實驗架上的S1和S2為壓電陶瓷換能器，實現(xiàn)電信號和聲信號的相互轉化。S1為發(fā)射端，固定不動，S2為接收端，可通過右方轉輪調節(jié)位置。示波器采用通用的雙蹤示波器，聲波信號源的S1端輸出電信號至實驗架的發(fā)射端S1，同樣的信號經(jīng)過CH1端送入示波器通道1進行輸出。聲波信號源的S2端接收實驗架上接收端S2的電信號，經(jīng)過CH2端送入示波器通道2進行輸出。

圖1

2.1 顯示發(fā)射端和接收端兩列同方向同頻率的波

采用雙蹤示波器的兩個通道分別接入發(fā)射端和接收端的兩路信號，掃描激發(fā)信號選擇發(fā)射端信號，在屏幕上同時顯示兩路信號。旋動實驗架右方轉輪，調節(jié)接收器的位置，可以發(fā)現(xiàn)發(fā)射端信號在屏幕上固定不變，接收端信號波形隨轉輪位置的不同發(fā)生變化，兩者的相位差φ隨兩者間距離作周期變化，可在360°范圍內連續(xù)調節(jié)(如圖2)。

圖2

2.2 演示兩列波的同相疊加和反相疊加

調節(jié)接收端位置，使接收端信號與發(fā)射端信號同相。調整接收端通道的增益檔位和連續(xù)衰減因子，使兩路信號圖形完全重合，如圖3(a)所示。此時，將示波器的顯示模式切換成兩路信號相加，屏幕上的圖形如圖3(b)所示，即為同相疊加時，振動加強，合成振幅大小為原來兩個振幅大小之和。在此基礎上，改變接收端通道信號的增益，重復上面的實驗，讓學生體會不同情況下振幅的相加。

圖3

隨后，調節(jié)接收端位置，使接收端信號與發(fā)射端信號反相。先調整接收端通道的增益檔位和連續(xù)衰減因子，使兩路信號圖形完全重合，如圖4(a)所示。此時，將示波器的顯示模式切換成兩路信號相加，屏幕上的圖形如圖4(b)所示，即為反相疊加時，振動相消，合成振幅大小為原來兩個振幅大小之差。接著，改變接收端通道信號的增益，重復上面的實驗。

圖4

2.3 演示兩列波的任意相位的疊加

3 結語

聲速測定儀和雙蹤示波器是常用的普通物理教學儀器。我們所設計的演示實驗，利用了聲速測定儀能夠產(chǎn)生兩列波并且相位差連續(xù)可調的特點和雙蹤示波器可以同時顯示兩列波和它們的疊加結果的特點。在對中學生講解波的疊加以及波的干涉時，該實驗原理清晰、儀器簡單、現(xiàn)象豐富、便于演示，可以作為課堂教學的有益補充。

[1] 胡亞超等.基于多功能干涉儀的教學演示及測量應用[J].物理實驗，2017，(2).

[2] 雷航，程永進，郭萬里.聲波波速測試儀[J].物理實驗，2017，(3).

[3] 邵維科，趙霞，軒植華.駐波法測量聲速實驗的討論[J].物理實驗，2017，(3).

* 通訊作者：翁華，教育碩士，主要研究中學物理教學。