研究声波的干涉

1 / 8 研究声波的干涉 莲山课 件 m研究声波的干涉 学生研究性学习案例浙江省宁波市镇海炼化中学 陈君达 浙江省宁波市教研室 李建明 研究性学习相对通常的课堂教学而言，有独到的优势，它非常有利于培养学生的实践能力和创新能力。如何指导学生开展研究性学习活动，这是一个全新的课题，也是当前教改的热点，笔者也进行了一些尝试，现举一个教学中的例子，希望能起到抛砖引玉的作用。 一、课题的提出 讲授了声波的知识后，陈明、密媛姗、何磊三位同学提出了一个很有意义的问题： 陈明：老师，波的 两个基本特征是干涉和衍射现象。水波的干涉和衍射现象体现了波的这两个特征，而作为机械波的声波也应该具有这两个特点，声波的衍射现象非常明显，而声波的干涉现象却比较难以观察到。我们能否用实验的方法研究一下声波的干涉现象？如果能用实验的方法观察到声波的干涉现象，那一定非常有趣和有意义！我们想做一下这方面的工作。 陈君达老师（以下简称陈老师）：课本没有安排这方面的实验，可能是因为演示这个实验有难度。你们想做这个实2 / 8 验，想法非常好，我们全力支持！你们需要什么器材，实验室全部提供。同时为了加强研究力量，我们组成一 个课题小组。 【教学实践活动是学生获得课题的源泉，教师在教学过程中，只要做有心人，根据学生提出的问题，适时加以引导，是诱发学生进行研究性学习的重要手段。】 二、课题小组成员 学校：浙江省镇海炼化中学；学生：高一（ 1）班陈明、密媛姗、何磊；指导教师：物理教师陈君达，实验教师于龙夫。 【成立课题小组一方面有利于培养学生团队精神，另一方面也是为了更好发挥学生的创造性，一个好的团队往往就是一个非常好的创造集体。】 三、探索过程 1第一套方案 陈 老师：设计实验首先应有一个大致方案或要点，然后逐步实施，你们准备怎么着手？ 【教师有意识引导学生进一步明确实验目的、原理和实施方案。】 何磊：这个问题我们三人已经讨论过了，做这个实验关键有两点：一是要找到相干波源；二是要找到显示干涉的方3 / 8 法，因为声波是直接看不到的。为此我们有个初步方案：如图 1 和图 2 所示，实验装置由发声系统和探测系统两部分组成。发声系统由一个带正弦波功率输出的低频信号发生器，两个间距可调的同型号小扬声器（阻抗为 8 欧的玩具小喇叭），探测系统由动圈话筒和一台多功能 录音机组成。我们的设想是这样的：低频信号发生器推动两个扬声器发出两列相干声波，在空间形成稳定的声波干涉现象，这时用移动话筒去探测，在录音机上应该能听到强弱变化明显、有序的声音。（次日） 陈老师：你们试了吗？ 密媛姗：试过了，从录音机上听到的声音强弱变化不明显，也就是观察不到明显的干涉现象！ 【这个实验结果在教师的意料之中，让学生亲手做一下印象更深刻，教学中有时失败比成功更能获得良好的效果！】 陈老师：你们分析过原因了吗？ 何磊：我们认真分析过了，实验原理粗看 起来十分完美，其实有重大漏洞：原来是录音机发出的声波与扬声器上发出的声波相互干扰，影响了正常干涉的观察。我们真是太粗心了！ 陈老师：那么这个问题你们是怎么解决的呢？ 陈明：关键是要消除录音机上发出的声音的干扰，但要是录音机不发出声音的话，我们同时也就观察（听）不到声4 / 8 波的干涉现象了，正当我们陷入困境时，实验室于老师为我们出了个主意： “ 示波器是用来观察波形的常用设备，你们就用它来试一试吧 !” 在他的启发下，我们又设计出了另一种实验方案。 【学生进行研究性学习，源于书本而高于书本，有时 给予适当的帮助是必须的，但是有限度的，点到为止是一个原则。】 2第二套方案 陈明：如图 3，我们把原来的探测系统改成话筒和音频放大器及示波器组成。话筒将探测到的干涉信号通过音频放大器放大后再用示波器显示。 陈老师：具体试过了吗？ 密媛姗：我们在实验室里反复试验过，但不很理想，话筒在空间不同位置探测 时，发现话筒放在有些区域时观察到的现象与理论符合得很好，在振动加强区，观察到的波形的波幅较大，振动减弱区，观察到的波形的波幅较小；在有些区域波形波幅的变化比较无序，通过反复仔细的研究，我们发现话筒处在桌子附近或者在柜子、墙壁附近时，波形的波幅变化特别无序（常会出现一些新的波峰）。 【透过现象看到本质，在这种手脑并用、观察与思考同步进行的活动过程中，学生学习的智商得到有效开发，情商5 / 8 不断得到升华，这种教学效果在课堂中往往是无法得到的。】 陈老师：你们考虑过这是什么原因吗？ 密媛姗： 我们分析过了，其原因主要是，周围表面比较光滑的物体对声波的反射比较强，对扬声器发出的声波具有很强的干扰作用，影响了对正常干涉现象的观察。 陈老师：那么这个问题你们怎么解决呢？ 何磊：这个问题我们也深入讨论过了，做好这个实验的关键是要控制反射波，但要消除反射波是不可能的，因此我们遇到了很大的困难。 陈老师：要控制反射波，并不是要消灭反射波，只要把反射波的影响控制在很小的范围之内，不影响观察效果就可以了。再努力一下，希望就在眼前！ 【关键时推学生一把 !】 3第 三套方案（几天后） 何磊：老师我们成功了！ 陈老师：别急，慢慢说！ 何磊：起先我们是这样考虑的，为了减小反射波是否可用棉布把桌面或墙面遮挡起来，或者把实验装置放入类似蚊帐之类的空间内做实验，但由于一时材料准备有困难，没有马上实施，后来我们在上体育课时，突然想到，操场不就是一个最佳的天然实验环境吗！于是一个新方案产生了。新方案的实验器材与第二套方案完全相同，仅是改变一下实验6 / 8 场所：我们把实验器材放到操场草坪的中央做实验，因为操场很空旷，周围建筑物对波的反射的影响比较小，同时草坪对 反射波有良好吸收作用，这样反射声波的影响就可忽略，也就能顺利观察到清晰的声波的干涉现象。 【一个头脑有准备的人随时能产生创造的火花！教育的最大成功不在于教给学生多少知识，而是要让学生成为一个头脑时刻有准备的人！】 陈老师：你们讲解一下实验过程好吗？ 何磊：我们已经认真试验过了。如图 4，把两个小型扬声器 S1 和 S2 相距 68 厘米放置，用频率为 f 1000Hz 的低频信号发生器推动它发出声波（波长为 34 厘米，这时扬声器之间的距离为 2 ），这时我们用探测系统反复探测，测出S1 和 S2 之间共有五处振动加强区（如图 4 中实线所示，其中两处在 S1 和 S2 附近没有画出），四处振动减弱区（如图 4中虚线所示）。保持 S1 和 S2 间距不变，改用 f 1500k 的声波做实验（这时 S1 和 S2 之间距离为 3 ），如图 5，我们探测到了七个振动加强区和六个振动减弱区。改变 S1 和 S2 的距离及声波的波长，同样得到了类似的结果。实验现象非常清晰和稳定，实验结果与理论分析得出的结论完全一致！ 陈老师：你们做得很漂亮，祝贺你们取得成功！ 7 / 8 四、汇报总结 陈老师：通过这次研究活动，你们有什 么感想？ 陈明：有点成功的感觉。 何磊：做实验太有趣了！比做题有意思。 密媛姗：使我学会了思考，学会发现问题和解决问题，您常讲的实验的精髓在于控制，现在我有点体会了！ 【这次研究性学习活动，学生很有 “ 物理味道 ” 地围绕“ 控制 ” 展开探索研究，并初步领会实验的精髓在于控制，这是非常难得的。】 陈老师：你们真棒！下面有两个任务，一是以小论文的形式把这次活动的体会小结一下；二是明天你们向全班同学汇报演示一下你们的成果。 【以小论文形式总结，利于培养学生语言表 达能力，总结成功经验，为下一次活动打下基础；汇报演示，可以起到示范和达到共鸣的效果，利于全体学生开展研究性学习活动，同时也是对学生的最好的鼓励。】 次日课外活动时间，三同学在操场上向全班同学演