基於聲振動的機械波干涉與衍射實驗

摘要：應用手機Frequency Sound Generator軟體提供單頻率聲波, 通過音響將聲波振動放大, 再藉助水波, 將干涉與衍射現象可視化, 再通過改變相關變數, 對機械波干涉的條件進行驗證.

關鍵詞：干涉;衍射;機械波;頻率;相位差;

在高中物理教學中, 有關機械波干涉與衍射的實驗相對較少, 本文應用手機Frequency Sound Generator軟體提供單頻率聲波, 通過音響將聲波振動放大, 引起水槽中水波的振動, 讓機械波的干涉與衍射可視化.

1 實驗裝置設計

演示機械波干涉與衍射實驗的實驗裝置圖如圖1所示.

圖1 實驗裝置

1.1 製作材料

水槽, 音響, 檯燈, 攝像頭, 較輕的鐵軌道, 小木板2塊, 小木棒2根, 紐扣型強磁鐵2塊, 螺母2隻, 膠水, 梯形玻璃磚2塊.

1.2 實驗儀器製作過程

1) 在小木棒的一端固定1塊紐扣型強磁鐵 (組成小振錘) , 並使其可以吸附在鐵軌上, 另一端固定1隻螺母.

2) 準備2套音響, 每套只留其中1個, 用小木棒將音響喇叭與軌道用膠水粘在一起.

3) 找透明的水槽, 將其側面用黑色防水膠帶包裹起來, 確保側邊不漏光.

4) 準備大小適合的LED檯燈, 調整檯燈亮度和角度, 使其儘可能照到整個水槽.

5) 用手機Frequence Sound Generator軟體播放單頻率的聲波, 聲波使音響喇叭振動, 而音響喇叭帶動振錘振動, 產生2列同頻率的水波, 進而觀察干涉現象.

6) 將2塊梯形玻璃磚並列放到水槽中, 形成單縫, 將振錘接入水槽中, 觀察水波通過單縫時發生的衍射現象.

7) 為使實驗現象更加明顯, 可以將水波圖樣投影到屏幕上進行觀察, 同時調整攝像頭的位置, 避免反光, 使得條紋最明顯.

2 實驗操作及現象分析

2.1 衍射現象演示

向水槽中加入適量水, 在連接音響的軌道中插入振錘, 用2塊玻璃磚排擺放成單縫, 輸入頻率為15Hz聲音, 即可觀察到如圖2所示水波單縫衍射現象.

圖2 水波衍射圖

2.2 干涉現象演示

在演示干涉現象時, 應用1套音響連接2個振錘, 然後用手機Frequency Sound Generator軟體輸入15Hz聲音, 由此可以觀察到的水波干涉現象, 如圖3所示.

圖3 同頻率水波干涉圖

2.3 干涉條件驗證

2列機械波要發生干涉, 必須滿足頻率相同、振動方向一致、相位差恆定的條件, 由於水波的波長較大, 很容易實現相位差恆定, 因此該實驗設計中對其不進行考慮, 只對頻率和振動方向2個條件進行驗證.

1) 驗證機械波干涉與頻率的關係

為驗證只有頻率相同的2列聲波才可以發生干涉, 故左邊音響輸入15Hz聲音, 右邊音響輸入30Hz聲音, 觀察實驗波形如圖4所示.

圖4 不同頻率水波干涉圖

與同頻率的水波干涉圖樣 (圖3) 相比較, 不同頻率的水波干涉圖樣振動缺乏規律性, 沒有明顯的振動加強區和振動減弱區.因此可以驗證, 只有滿足振動頻率相同的2列波才能發生干涉, 不同頻率的2列水波相遇時只是簡單非相干疊加, 從而引起水面的無規律擾動.

2) 干涉疊加區的確定

干涉現象主要分布在2個振源的連線的中垂線上及中垂線兩側, 因此在該區域2列波的振動方向是一致.用對應的方法找出實際波形圖中的振動加強區和減弱區 (圖5) .

圖5 振動疊加區分布圖

通過觀察可以看出, 實際干涉圖樣中, 振動加強區和減弱區也分布在振源間連線的中垂線上及其兩側, 因此在實驗過程中選擇該區域為觀察區.

3 結束語

該實驗藉助聲源振動演示機械波干涉與衍射現象, 不僅改進了該實驗, 也啟發了中學物理教師的創新思維, 物理教師不僅應該從物理知識上懂得物理實驗, 物理操作技能上達到會做物理實驗, 更應具有研究物理實驗的能力.

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