CN108986605A - 用于机械纵波的观察与波速测量的实验方法 - Google Patents
用于机械纵波的观察与波速测量的实验方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种用于机械纵波的观察与波速测量的实验方法，该实验方法实施步骤包括：1准备实验器材，2实验装置安装步骤，3实验运用原理，4实验具体过程，5进行数据处理。本发明在实验中采用塑料小球模拟弹性介质质元，用塑料弹簧模拟弹性介质质元之间的弹性力，用带电金属铜球作为波源，波源在交变电场的作用下作周期性振动。实验中通过调整交变电场的频率来调整改变波源的频率，从而在塑料小球链上实现不同频率的机械纵波。其设计新颖合理、性能可靠、操作简便、应用效果非常显著，具有一定的经济效益和重大的社会效益，且具备非常重要及广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种物理实验方法，特别涉及一种用于机械纵波的观察与波速测量的实验方法。
背景技术
机械振动指物体在某一位置附近作来回往复的运动，机械振动在弹性媒质中的传播形成机械波。机械振动及机械波是中学物理和大学物理课程中的重要学习内容，这部分知识是物理学类学科与技术、通讯类学科与技术、机械类学科与技术、自动化类学科与技术等等绝大部分学科与技术领域中的重要知识基础。但中学物理实验及大学物理实验中关于机械振动和机械波的实验并不丰富，特别是关于机械纵波的演示实验只有长弹簧一种，这不利于学生直观形象的理解机械波的产生和传播过程。通常我们在理论上理解机械波的产生和传播是这样的：振动的物体做为波源，波源振动带动临近的弹性介质质元振动，由于弹性介质质元之间存在弹性力，某一质元的振动就引起相邻近的其它质元振动。这样依靠质元之间的弹性力，机械振动就在弹性介质中传播开来。另外，由于弹性介质质元之间不是连续的，这导致并不是任何频率的机械振动都能在弹性介质中传播，只有波源的振动频率低于某一值时，才能够在介质中形成机械波。
根据我们所了解的，现在还没有采用新颖的用于机械纵波的观察与波速测量的实验方法提出，即到目前为止还未见有关方面的专利与文献报道。
因此，提供一种设计合理、简单新颖、操作简便、应用效果显著的用于机械纵波的观察与波速测量的实验方法，是该领域技术人员当前亟待着手解决的问题之一。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足之处，提供一种设计合理、简单、新颖、操作简便、应用效果显著的用于机械纵波的观察与波速测量的实验方法。
为实现上述目的本发明所采用的技术方案是：一种用于机械纵波的观察与波速测量的实验方法，其特征在于该实验方法实施步骤包括：
1、准备实验器材：
准备方波或正弦波发生器：25伏；塑料硬杆：长度1.5米，直径1.5毫米；带连接钩穿孔的塑料小球：100-150个，每个直径5毫米，孔直径2.0毫米；可与塑料小球连接的塑料弹簧：100-150个，每个长度5毫米，内径2.0毫米；穿孔金属铜球：直径10毫米，孔直径2.0毫米；带有支架穿孔的电极铜板：2个，米尺；使金属铜球带电装置：该装置可利用正弦波发生器通过传导方式使金属铜球带电或感应方式使金属铜球带电；
2、实验装置安装步骤：实验器材在底板上通过固定插孔与支架安装，其中塑料小球与塑料弹簧连在一起并与金属铜球穿在塑料硬杆上，使金属铜球处在电极铜板之间，然后用固定螺丝将塑料硬杆固定在支架上，通过接线柱将电极铜板与可调频率的电压方波或正弦波发生器相连，从而在电极铜板之间产生极性交变的电场，使金属铜球在电场的作用下振动作为波源；
所述正弦波发生器的波形图，其中电压峰值和频率可连续调整；金属铜球放在塑料硬杆的一端附近观察纵波向另一端传播，或放在塑料硬杆中间观察纵波向两端传播；若将电极铜板上下安放，电极铜板的位置可通过底板上的支架插孔调整；
去掉穿插塑料小球的塑料硬杆，则可观察横波的传播现象；根据实际需要，实验中可将两个电极铜板换成两个多匝线圈，金属铜球换成永磁磁性球，线圈通以可调频率的交流电，这样磁性小球就成为波源可以在交变磁场作用下振动；
3、实验运用原理：
本实验用塑料小球模拟弹性介质质元，用塑料弹簧模拟弹性介质质元之间的弹性力，用带电金属铜球作为波源，波源在交变电场的作用下作周期性振动；实验中通过调整交变电场的频率来调整改变波源的频率，从而在塑料小球链上实现不同频率的机械纵波；若波源采用磁性小球，两个电极铜板换成两个多匝线圈，通过交变电流时线圈产生交变磁场，磁性小球在交变磁场作用下振动；小球振动频率也通过调整交变电场的频率来调整；在机械纵波中相邻塑料小球密集段中心或相邻塑料小球稀疏段中心的距离即为波长，横波中相邻两个波峰或波谷之间的距离为波长；由于波源频率可由方波或正弦波发生器读出，因此可以由下式计算出机械纵波波速：
v = λγ
式中v为波速，λ为波长，γ为频率；
实验中通过测量不同频率下的波速验证机械波的波速仅与介质有关与频率无关；实验中增大波源的振动频率，则波源的振幅会减小；当波源的振动频率增大到一定值时，波源振幅很小，基本不动；根据惠更斯原理，介质中波所传到的区域里，质元也可看作是新的波源，因此当质元振动频率太大时其振幅也几乎为零，即不再振动；这表明在一定的弹性介质中可传播的机械波的频率是有上限的，也就是说超过一定频率的机械波是不能传播的；
4、实验具体过程：
（1）将塑料小球通过塑料弹簧连接穿套在塑料硬杆上，将金属铜球穿在塑料硬杆的一端5-75厘米处，安装电极铜板；
（2）将电极铜板与方波或正弦波发生器相连；
（3）由指导教师为金属铜球带电，禁止用手触摸带电金属铜球；
（4）调节方波或正弦波发生器的频率，观察机械纵波波动现象；改变频率观察振幅的变化规律；
（5）增大频率直到金属铜球振幅接近为零，记录此时的频率值，此频率值为截止频率；
（6）在截止频率以下，改变频率，得到不同频率的纵波，并测量其波长；实验中要求在三个不同的频率下测量波长，列表记录数据；
（7）操作中，严格禁止用手触摸带电铜球，实验结束要对金属铜球放电；
5、进行数据处理：
（1）给出机械波的截止频率；
（2）利用公式计算机械纵波的波速，验证机械纵波波速与频率无关的结论。
该实验方法中采用带电金属铜球为振动波源，或采用永磁磁性小球作为振动波源，采用通电线圈替代电极铜板。
该实验方法中可根据时间安排拓展内容之一，即实验中利用支架把两电极铜板在竖直方向平行同轴放置，且保证电极铜板面与水平面平行，并去掉塑料硬杆，增加横波的观察与测量的内容，验证机械横波的波速与频率无关。
该实验方法中可根据时间安排拓展内容之二，将塑料小球链两端通过砝码拉紧，调整砝码质量，观察驻波现象，通过对驻波波节之间距离的测量也可给出波速。
本发明的有益效果是：
（1）该机械纵波的观察与波速的实验方法新颖独特，采用轻质塑料弹簧连接的塑料小球链模拟弹性介质，采用带电金属铜球在交变电场作用下的振动模拟波源；
（2）通过该实验方法可以得出机械波的截止频率；
（3）利用公式可以计算机械纵波的波速，验证机械纵波波速与频率无关的结论；
（4）该实验既可作为理工科大学生的大学物理实验课的教学内容，也可作为中学生物理课的演示实验，进一步丰富了大学物理实验课和中学物理课的教学内容，对于学生今后学习其它相关课程具有非常重要的意义。
总之，本发明采用轻质塑料弹簧连接的塑料小球链模拟弹性介质，采用带电金属铜球在交变电场作用下的振动模拟波源的机械纵波的观察与波速的实验方法，设计合理新颖、性能安全可靠、操作简便、应用效果非常显著，具有一定的经济效益和重大的社会效益，具备重要及广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明实验装置结构示意图；
图2是本发明中正弦波波形图；
图3是本发明中横波电极铜板放置方式示意图；
图中：1底板，2固定插孔，3固定螺丝，4塑料小球，5电极铜板，6接线柱，7塑料硬杆，8塑料弹簧，9金属铜球，10支架。
具体实施方式
以下结合附图和较佳实施例，对依据本发明提供的具体实施方式、特征详述如下：
如图1-图3所示，一种用于机械纵波的观察与波速测量的实验方法，该实验方法实施步骤包括：
1、准备实验器材：
准备方波或正弦波发生器：25伏；塑料硬杆：长度1.5米，直径1.5毫米；带连接钩的穿孔塑料小球：100-150个，每个直径5毫米，孔直径2.0毫米；可与塑料小球连接的塑料弹簧：100-150个，每个长度5毫米，内径2.0毫米；穿孔金属铜球：直径10毫米，孔直径2.0毫米；带有支架的穿孔电极铜板2个，米尺；使金属铜球带电装置：该装置可以利用正弦波发生器通过传导方式使金属铜球带电或感应方式使金属铜球带电，在实验学生搭建好仪器之后，金属铜球带电步骤由实验教师负责。
2、实验装置安装步骤：如图1所示，实验器材在底板1上通过固定插孔2与支架10安装，其中塑料小球4与塑料弹簧8连在一起并与金属铜球9穿在塑料硬杆7上，使金属铜球9处在电极铜板5之间，然后用固定螺丝3将塑料硬杆7固定在支架10上，通过接线柱6将电极铜板5与可调频率的电压方波或正弦波发生器相连，从而在电极铜板5之间产生极性交变的电场，使金属铜球9在电场的作用下振动作为波源。
如图2所示，正弦波发生器的波形图，电压u随时间t成正弦或余弦函数规律变化，使得电极铜板5间形成交变电场，其中电压峰值和频率可连续调整；金属铜球9可放在塑料硬杆7的一端附近观察纵波向另一端传播，也可放在杆中间观察纵波向两端传播；若将电极铜板5上下安放，电极铜板5的位置可以通过底板1上的固定插孔2调整。
如图3所示，去掉穿插塑料小球的塑料硬杆7，则可观察横波的传播现象；根据实际需要，实验中可以将两个电极铜板5换成两个多匝线圈，金属铜球9换成永磁磁性小球，线圈通以可调频率的交流电，这样磁性小球就成为波源可在交变磁场作用下振动。
3、实验运用原理：
本实验用塑料小球模拟弹性介质质元，用塑料弹簧模拟弹性介质质元之间的弹性力，用带电金属铜球作为波源，波源在交变电场的作用下作周期性振动；实验中通过调整交变电场的频率来调整改变波源的频率，从而在塑料小球链上实现不同频率的机械纵波；若波源采用磁性小球，两个电极铜板换成两个多匝线圈，通过交变电流时线圈产生交变磁场，磁性小球在交变磁场作用下振动；小球振动频率也通过调整交变电场的频率来调整；在机械纵波中相邻塑料小球密集段中心或相邻塑料小球稀疏段中心的距离即为波长（横波中相邻两个波峰或波谷之间的距离为波长；）；由于波源频率可由方波或正弦波发生器读出，因此可以由下式计算出机械纵波波速：
v = λγ
式中v为波速，λ为波长，γ为频率；
实验中通过测量不同频率下的波速验证机械波的波速仅与介质有关与频率无关；实验中增大波源的振动频率，则波源的振幅会减小；当波源的振动频率增大到一定值时，波源振幅很小，基本不动；根据惠更斯原理，介质中波所传到的区域里，质元也可以看作是新的波源，因此当质元振动频率太大时其振幅也几乎为零，即不再振动；这表明在一定的弹性介质中可以传播的机械波的频率是有上限的，也就是说超过一定频率的机械波是不能传播的。
4、实验具体过程：
（1）将塑料小球通过弹簧连接穿套在塑料硬杆上，将金属铜球穿在杆的一端5-75厘米处，如图1所示，安装电极铜板；
（2）将电极铜板与方波或正弦波发生器相连；
（3）由指导教师为金属铜球带电，禁止用手触摸带电金属铜球；
（4）调节方波或正弦波发生器的频率，观察机械纵波波动现象；改变频率观察振幅的变化规律；
（5）增大频率直到金属铜球振幅接近为零，记录此时的频率值，该值为截止频率；
（6）在截止频率以下，改变频率，得到不同频率的纵波，并测量其波长；实验中要求在三个不同的频率下测量波长，列表记录数据，表格自行设计；
（7）操作中，严格禁止用手触摸带电金属铜球，实验结束要对金属铜球放电。
5、进行数据处理：
（1）给出机械波的截止频率；
（2）利用公式中计算机械纵波的波速，验证机械纵波波速与频率无关的结论。
6、其它需要说明的问题：
（1）上述实验内容是采用带电金属铜球为振动波源，其它金属球与板分别做波源与极板都是可以的，该实验也可改为采用永磁磁性小球作为振动波源，采用通电线圈替代电极金属板，其它实验内容不变。
（2）实验可根据时间安排两个拓展内容，即（a）：实验中按照图3放置电极铜板，即利用支架把两电极铜板在竖直方向平行同轴放置，且保证电极铜板面与水平面平行，并去掉塑料硬杆，可增加横波的观察与测量的内容，验证机械横波的波速与频率无关。（b）：将塑料小球链两端通过砝码拉紧，调整砝码质量，可观察驻波现象，通过对驻波波节之间距离的测量也可给出波速。
本发明的工作原理是：该用于机械纵波的观察与波速测量的实验方法，利用机械波的演示装置及实验内容，目的是进一步丰富中学物理及大学物理中关于机械波的实验项目，便于学生直观形象的理解机械振动及机械波。
本发明在实验中采用塑料小球模拟弹性介质质元，用塑料弹簧模拟弹性介质质元之间的弹性力，用带电金属铜球作为波源，波源在交变电场的作用下作周期性振动。实验中通过调整交变电场的频率来调整改变波源的频率，从而在塑料小球链上实现不同频率的机械纵波。若波源采用磁性小球，两个电极铜板换成两个多匝线圈，通过交变电流时线圈产生交变磁场，磁性小球在交变磁场作用下振动。小球振动频率也通过调整交变电场的频率来调整。在机械纵波中相邻塑料小球密集段中心或相邻塑料小球稀疏段中心的距离即为波长，横波中相邻两个波峰或波谷之间的距离为波长。由于波源频率可由方波或正弦波发生器读出，因此可以由下式计算出机械纵波波速。
上述参照实施例对该用于机械纵波的观察与波速测量的实验方法进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种用于机械纵波的观察与波速测量的实验方法，其特征在于该实验方法实施步骤包括：
1、准备实验器材：
准备方波或正弦波发生器：25伏；塑料硬杆：长度1.5米，直径1.5毫米；带连接钩穿孔的塑料小球：100-150个，每个直径5毫米，孔直径2.0毫米；可与塑料小球连接的塑料弹簧：100-150个，每个长度5毫米，内径2.0毫米；穿孔金属铜球：直径10毫米，孔直径2.0毫米；带有支架穿孔的电极铜板：2个，米尺；使金属铜球带电装置：该装置可利用正弦波发生器通过传导方式使金属铜球带电或感应方式使金属铜球带电；
2、实验装置安装步骤：实验器材在底板上通过固定插孔与支架安装，其中塑料小球与塑料弹簧连在一起并与金属铜球穿在塑料硬杆上，使金属铜球处在电极铜板之间，然后用固定螺丝将塑料硬杆固定在支架上，通过接线柱将电极铜板与可调频率的电压方波或正弦波发生器相连，从而在电极铜板之间产生极性交变的电场，使金属铜球在电场的作用下振动作为波源；
所述正弦波发生器的波形图，其中电压峰值和频率可连续调整；金属铜球放在塑料硬杆的一端附近观察纵波向另一端传播，或放在塑料硬杆中间观察纵波向两端传播；若将电极铜板上下安放，电极铜板的位置可通过底板上的支架插孔调整；
去掉穿插塑料小球的塑料硬杆，则可观察横波的传播现象；根据实际需要，实验中可将两个电极铜板换成两个多匝线圈，金属铜球换成永磁磁性球，线圈通以可调频率的交流电，这样磁性小球就成为波源可以在交变磁场作用下振动；
3、实验运用原理：
本实验用塑料小球模拟弹性介质质元，用塑料弹簧模拟弹性介质质元之间的弹性力，用带电金属铜球作为波源，波源在交变电场的作用下作周期性振动；实验中通过调整交变电场的频率来调整改变波源的频率，从而在塑料小球链上实现不同频率的机械纵波；若波源采用磁性小球，两个电极铜板换成两个多匝线圈，通过交变电流时线圈产生交变磁场，磁性小球在交变磁场作用下振动；小球振动频率也通过调整交变电场的频率来调整；在机械纵波中相邻塑料小球密集段中心或相邻塑料小球稀疏段中心的距离即为波长，横波中相邻两个波峰或波谷之间的距离为波长；由于波源频率可由方波或正弦波发生器读出，因此可以由下式计算出机械纵波波速：v = λγ
式中v为波速，λ为波长，γ为频率；
实验中通过测量不同频率下的波速验证机械波的波速仅与介质有关与频率无关；实验中增大波源的振动频率，则波源的振幅会减小；当波源的振动频率增大到一定值时，波源振幅很小，基本不动；根据惠更斯原理，介质中波所传到的区域里，质元也可看作是新的波源，因此当质元振动频率太大时其振幅也几乎为零，即不再振动；这表明在一定的弹性介质中可传播的机械波的频率是有上限的，也就是说超过一定频率的机械波是不能传播的；
4、实验具体过程：
（1）将塑料小球通过塑料弹簧连接穿套在塑料硬杆上，将金属铜球穿在塑料硬杆的一端5-75厘米处，安装电极铜板；
（2）将电极铜板与方波或正弦波发生器相连；
（3）由指导教师为金属铜球带电，禁止用手触摸带电金属铜球；
（4）调节方波或正弦波发生器的频率，观察机械纵波波动现象；改变频率观察振幅的变化规律；
（5）增大频率直到金属铜球振幅接近为零，记录此时的频率值，此频率值为截止频率；
（6）在截止频率以下，改变频率，得到不同频率的纵波，并测量其波长；实验中要求在三个不同的频率下测量波长，列表记录数据；
（7）操作中，严格禁止用手触摸带电铜球，实验结束要对金属铜球放电；
5、进行数据处理：
（1）给出机械波的截止频率；
（2）利用公式计算机械纵波的波速，验证机械纵波波速与频率无关的结论。
2.根据权利要求1所述的用于机械纵波的观察与波速测量的实验方法，其特征在于该实验方法中采用带电金属铜球为振动波源，或采用永磁磁性小球作为振动波源，采用通电线圈替代电极铜板。
3.根据权利要求1所述的用于机械纵波的观察与波速测量的实验方法，其特征在于该实验方法拓展内容之一：即实验中利用支架把两电极铜板在竖直方向平行同轴放置，且保证电极铜板面与水平面平行，并去掉塑料硬杆，增加横波的观察与测量的内容，验证机械横波的波速与频率无关。
4.根据权利要求1所述的用于机械纵波的观察与波速测量的实验方法，其特征在于该实验方法中拓展内容之二：将塑料小球链两端通过砝码拉紧，调整砝码质量，观察驻波现象，通过对驻波波节之间距离的测量也可给出波速。
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| CN (1) | CN108986605B (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117740883A (zh) * | 2023-12-19 | 2024-03-22 | 广东工业大学 | 一种用于管道堵塞的检测方法及装置 |
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| CN2031956U (zh) * | 1988-02-23 | 1989-02-01 | 天津市南开大学附属中学 | 波动演示仪 |
| CN201638422U (zh) * | 2009-12-28 | 2010-11-17 | 赖振雄 | 横纵波演示仪 |
| RU2421821C1 (ru) * | 2010-08-16 | 2011-06-20 | Николай Фёдорович Ерохин | Прибор для демонстрации свойств упругих волн |
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| CN103400520A (zh) * | 2013-07-29 | 2013-11-20 | 高艺 | 一种机械波演示仪 |
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2018
- 2018-09-28 CN CN201811140293.8A patent/CN108986605B/zh active Active
Patent Citations (5)
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| CN117740883A (zh) * | 2023-12-19 | 2024-03-22 | 广东工业大学 | 一种用于管道堵塞的检测方法及装置 |
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| CN108986605B (zh) | 2024-04-02 |
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