CN111754846A - 一种驻波实验装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种驻波实验装置及实验方法，其中，驻波实验装置包括振源、水平滑轨、水平标尺、带狭缝刀口的滑动座、弦线、弦线拉力调测机构以及波动叠加演示单元等部件。其中，振源和弦线拉力调测机构均位于水平滑轨上，且分别位于水平滑轨的相对端部。本发明不仅能准确测量弦线张力，还能够微调弦线张力，并且能够提供波动在弦线上传播时弦线张力的实时变化曲线。本发明实验方法包括验证驻波公式的实验方法、验证波动方程成立的条件的实验的方法、研究不同反射机构对反射波振幅影响的对比实验的实验方法以及演示两列波的叠加过程的实验的方法，通过以上实验方法，满足了多种物理实验的教学要求。

Description

一种驻波实验装置及实验方法

技术领域

本发明涉及一种物理实验用驻波实验装置，以及基于所述装置的实验方法。

背景技术

波动是一种常见的物质运动形式，诸如机械波、电磁波、光波等都属于波动。

它们虽然在本质上并不相同，但都具有波动的共同特征，即都具有一定的传播速度，且都伴随着能量的传播，都能产生干涉和衍射等现象，而且有相似的数学表达形式。

驻波是一种特殊的机械波，由振幅、频率和传播速度都相同的两列相干波，在同一直线上沿相反方向传播时叠加而成的一种特殊的干涉现象。

目前在物理实验中广泛开设弦线驻波实验项目，目的是让学生了解和掌握弦线上形成稳定驻波的条件，并研究驻波波长、驻波频率、弦线张力、弦线密度等参量之间的关系。

该实验对培养学生观察、调测、数据处理等能力以及深入理解机械波的基本原理、波的叠加和干涉等方面具有非常高的价值。

各高等院校和设备制造商在驻波实验的研究方面开展了很多研究工作。

例如，非专利文献1公开了一种FD-SWE-Ⅱ型弦线上驻波实验装置。

该驻波实验装置利用砝码通过定滑轮提供弦线张力，调节狭缝刀口位置改变反射波的初相位以获得驻波，并且可以观察驻波现象，还能够研究波动方程中各参量的关系。

然而，由于该实验仪是以砝码通过定滑轮、狭缝刀口间接获得弦线张力，在实验过程中会有额外的力作用于弦线，故砝码的重力值并不等于弦线张力，导致弦线张力测试不准确，实验数据与理论偏差较大，从而无法观察到入射波、反射波以及驻波形成过程。

同类设备比如以音叉为振源的实验装置，均普遍存在上述不足。

此外，专利文献1公开了一种双振源型驻波仪，该驻波仪能够演示驻波形成的过程，其原理是利用两个相同的电动机通过手持方式进行演示。该驻波仪存在如下缺陷：

仪器简陋且演示时间不持久，依靠人为移动产生驻波形成过程，可重复性较差；由于结构设计缺陷，当观察者的视线位于电动机转轴的同一平面时将不能观测到驻波现象。

对比文献：

非专利文献1：FD-SWE-Ⅱ型弦线上驻波实验仪说明书，百度文库，2013年8月13日；专利文献1：公开号为：CN109671336 A，公开日期：2019年4月23日。

发明内容

本发明的目的在于提出一种驻波实验装置，该驻波实验装置在实现弦线张力准确测试的前提下，能够同时满足多种物理实验的教学要求。

本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案：

一种驻波实验装置，包括振源、水平滑轨、水平标尺、带狭缝刀口的滑动座、弦线以及弦线拉力调测机构；

振源和弦线拉力调测机构均位于所述水平滑轨上，且分别位于水平滑轨的相对端部；

振源在水平滑轨上为固定安装，该振源的输出端有两个；

所述弦线拉力调测机构包括基板、拉力传感器以及弦线拉力调节单元；

所述水平滑轨上设有沿其长度方向伸展的滑槽，基板下部设有伸入所述滑槽的滑动块；

所述拉力传感器有两个，且分别固定安装于所述基板上；

每个拉力传感器对准所述振源的一个输出端；

所述弦线有两根，振源的一个输出端与该输出端相对的拉力传感器通过一根所述弦线连接，振源的另一个输出端与该输出端相对的另一拉力传感器通过另一根所述弦线连接；

所述滑槽的数量有两个，且每个所述滑槽分别位于一根所述弦线下方；

所述弦线拉力调节单元在水平滑轨上为固定安装；

该弦线拉力调节单元与由基板和两个拉力传感器组成的整体连接，且被配置为用于向由基板和两个拉力传感器组成的整体施加推力和拉力；

带狭缝刀口的滑动座位于其中一个滑槽内，该滑槽上方的弦线经由狭缝刀口水平穿过；

所述水平标尺安装于水平滑轨上，且水平标尺与所述弦线平行设置；

所述振源包括电源板、控制板以及振动单元；其中，电源板通过线缆与控制板相连，电源板通过线缆与振动单元相连；振源的两个输出端连接在振动单元上；

所述振源还包括外壳、显示屏、频率调节旋钮、幅度调节旋钮以及信号输出接口；

所述电源板、控制板以及振动单元均位于外壳内；

显示屏、频率调节旋钮、幅度调节旋钮和信号输出接口分别通过线缆连接于控制板上；

在外壳上对应显示屏的位置设有安装孔，显示屏置于所述安装孔内；

在外壳上对应频率调节旋钮和幅度调节旋钮的位置分别设有旋钮孔，频率调节旋钮和幅度调节旋钮由各自对应的旋钮孔伸出；在外壳上对应信号输出接口的位置设有通孔；

所述弦线拉力调测机构还包括与每个拉力传感器对应的一组传感器采集单元；

每组传感器采集单元分别包括单片机、张力显示屏以及张力信号输出接口；拉力传感器、张力显示屏以及张力信号输出接口通过信号线缆分别与所述单片机相连。

优选地，所述带狭缝刀口的滑动座包括滑动座基板、滑动块、顶紧螺栓以及狭缝刀口板；滑动座基板为水平布置，滑动块连接于所述滑动座基板下表面且伸入所述滑槽内；

狭缝刀口板垂直安装于所述滑动座基板的上表面，该狭缝刀口板的上部采用刀刃结构；

所述狭缝刀口设置于所述狭缝刀口板的顶部边沿中间位置；

在滑动座基板的边部设有螺栓孔，顶紧螺栓与该螺栓孔螺纹连接且穿过所述螺栓孔。

优选地，所述弦线拉力调节单元包括传感器连接板、连接柱、调节螺栓以及安装墙板；

所述连接柱有两个；每个拉力传感器分别通过一个连接柱固连到所述传感器连接板上；

所述安装墙板与拉力传感器分别位于所述传感器连接板的不同侧；

所述安装墙板固定于水平滑轨的端部；

所述安装墙板上设有螺栓孔，调节螺栓由该螺栓孔的一端伸入且从另一端穿出；

调节螺栓穿出的一端与所述传感器连接板相连，且用于向传感器连接板施加推力和拉力。

优选地，所述传感器连接板上对应调节螺栓的安装位置设有轴承安装孔；

所述调节螺栓穿出的一端表面光滑且未设置外螺纹；

所述调节螺栓穿出的一端与传感器连接板之间通过插入所述轴承安装孔的轴承连接。

优选地，所述驻波实验装置还包括波动叠加演示单元，该波动叠加演示单元还包括波动信号生成电路、信号合成电路、调相电路以及三路信号输出接口；

定义三路信号输出接口分别为第一输出接口、第二输出接口以及第三输出接口；

所述波动信号生成电路的信号输出端分别连接至第一输出接口、信号合成电路的一个信号输入端以及调相电路的信号输入端；调相电路的信号输出端分别连接至信号合成电路的另一个信号输入端和第二输出接口；所述信号合成电路的信号输出端连接至第三输出接口。

优选地，所述波动叠加演示单元还包括壳体和调相旋钮；波动信号生成电路、信号合成电路以及调相电路均位于壳体内；壳体上对应三路信号输出接口的位置分别设置一个通孔；

所述壳体上对应调相旋钮的位置设置一个旋钮孔，调相旋钮由所述旋钮孔向外伸出。

此外，本发明还有一个目的在于提出一种验证驻波公式实验的实验方法，该方法基于上述驻波实验装置，具体操作过程如下：

I.1.首先将驻波实验装置通电；

I.2.使用相同材料和长度的弦线，调节弦线拉力调节单元使弦线拉紧；

I.3.记录张力显示屏上的弦线张力值；

I.4.打开振源，旋转频率调节旋钮，调整入射波输出频率为90Hz；

I.5.沿滑槽的长度方向移动带狭缝刀口的滑动座的位置，直到在带狭缝刀口的滑动座上方的弦线观察到波节清晰稳定的驻波，使用水平标尺读出波长；

I.6.将以上各参量数值代入波动方程，即可验证波动理论的正确性。

此外，本发明还有一个目的在于提出一种研究波动方程的成立条件的实验方法，该方法基于上述驻波实验装置，具体操作过程如下：

II.1.首先将驻波实验装置通电；

II.2.使用相同材料和长度的弦线，调节弦线拉力调节单元使弦线拉紧；

II.3.记下张力显示屏上的弦线张力数值；

II.4.打开振源，旋转频率调节旋钮，调整入射波输出频率为90Hz；

II.5.旋转幅度调节旋钮至入射波幅度最大；

II.6.沿滑槽的左右方向移动带狭缝刀口的滑动座的位置，直到在带狭缝刀口的滑动座上方的弦线上观察到波节清晰稳定的驻波，使用水平标尺读出波长；

II.7.旋转幅度调节旋钮使入射波幅度值变为最大幅度值的1/4或1/6，保持带狭缝刀口的滑动座上方的弦线张力不变，重复上述步骤II.1-步骤II.6的实验过程；

II.8.将入射波幅度值为最大幅度值时以及入射波幅度值为最大幅度值的1/4或1/6时测得的各个参数分别代入波动方程，即可验证波动方程的成立条件。

此外，本发明还有一个目的在于提出一种不同反射机构对反射波振幅影响的对比实验的实验方法，该方法基于上述驻波实验装置，具体操作过程如下：

III.1.首先将驻波实验装置通电；

III.2.使用相同材料和长度的弦线，调节弦线拉力调节单元使弦线拉紧；

III.3.打开振源，旋转频率调节旋钮，调整入射波输出频率为90Hz，然后，旋转幅度调节旋钮，使得入射波的幅度调整至最大；

III.4.沿滑槽的左右方向移动带狭缝刀口的滑动座的位置，直到在一号弦线上观察到波节清晰稳定的驻波，使用测量尺测量一号弦线上驻波振幅的大小；

III.5.调节弦线拉力调节单元，直到在二号弦线上观察到波节清晰稳定的驻波，使用测量尺测量二号弦线上驻波振幅的大小；

III.6对比两个驻波振幅的大小，实现不同反射机构对反射波振幅影响的对比实验；

其中，一号弦线为位于带狭缝刀口的滑动座上方的弦线。

此外，本发明还有一个目的在于提出一种两列波的叠加演示过程的实验方法，该方法基于上述驻波实验装置，具体操作过程如下：

驻波实验装置通电，将波动叠加演示单元的三路信号输出接口分别连接到示波器上，调节调相旋钮，在示波器上演示叠加之前的两路波动信号以及叠加之后的信号。

本发明具有如下优点：

如上所述，本发明提出了一种驻波实验装置及基于该装置提出的多个实验方法，该装置不仅能准确测量弦线张力，还能够微调弦线张力，并且能够提供波动在弦线上传播时弦线张力的实时变化曲线。本发明实验方法包括验证驻波公式的实验方法、验证波动方程成立的条件的实验方法、研究不同反射机构对反射波振幅影响的对比实验的实验方法以及演示两列波的叠加过程的实验的方法，通过以上实验方法，满足了多种物理实验的教学要求。

附图说明

图1为本发明实施例1中驻波实验装置的结构示意图；

图2为本发明实施例1中驻波实验装置的俯视图；

图3为本发明实施例1中振源的结构示意图；

图4为本发明实施例1中振源的电气连接框图；

图5为本发明实施例1中基板的结构示意图；

图6为本发明实施例1中带狭缝刀口的滑动座的结构示意图；

图7为本发明实施例1中弦线拉力调节单元的结构示意图；

图8为本发明实施例1中弦线拉力调节单元的侧视图；

图9为本发明实施例1中弦线拉力调节单元的后视图；

图10为本发明实施例1中传感器采集单元的电气连接框图；

图11为本发明实施例1中波动叠加演示单元的结构示意图；

图12为本发明实施例1中波动叠加演示单元的电气连接框图；

图13为本发明实施例2中验证驻波公式的实验方法的流程示意图；

图14为本发明实施例3中验证波动方程成立的条件的实验方法的流程示意图；

图15为本发明实施例4中不同反射机构对反射波振幅影响的对比实验方法流程示意图。

其中，1-振源，2-水平滑轨，3-水平标尺，4-带狭缝刀口的滑动座，5、5a、5b-弦线，6a、6b-输出端，7-电源板，8-控制板，9-振动单元，10-外壳；

11-显示屏，12-频率调节旋钮，13-幅度调节旋钮，14-信号输出接口，15-安装孔，16-通孔，17-基板，18、18a、18b-拉力传感器，19-滑槽，20-滑动块；

21-狭缝刀口，22-滑动座基板，23-滑动块，24-顶紧螺栓，25-狭缝刀口板，26-传感器连接板，27-连接柱，28-调节螺栓，29-安装墙板，30-轴承安装孔，31-单片机；

32-张力显示屏，33-信号输出接口，34-波动叠加演示单元，35-波动信号生成电路，36-信号合成电路，37-调相电路，38-第一输出接口，39-第二输出接口，40-第三输出接口；

41-壳体，42、43、44-通孔，45-调相旋钮，46-旋钮孔，47-弦线安装孔。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

实施例1

如图1和图2所示，本实施例1述及了一种驻波实验装置，其包括振源1、水平滑轨2、水平标尺3、带狭缝刀口的滑动座4、弦线5以及弦线拉力调测机构。

其中，振源1和弦线拉力调测机构均位于水平滑轨2上，且二者分别位于水平滑轨2的相对端部，例如图2中示出的水平滑轨2左、右端部。

振源1的作用在于产生入射波，经由振源1产生的入射波分为完全相同的两路，振源1的输出端有两个，分别定义为6a、6b，每路入射波分别经一个输出端输出。

如图3和图4所示，振源1包括电源板7、控制板8以及振动单元9。

其中，电源板7通过线缆与控制板8相连，电源板7通过线缆与振动单元9相连。

电源板7的作用是将输入的交流电进行半波整流。

控制板8的作用在于控制电源板7输出的半波整流信号的频率以及幅度值。

振动单元9用于接收电源板7的输入并产生振动，产生的振动分为两路，并经输出端6a、6b输出，其中，振源1的两个输出端6a、6b分别连接在振动单元9上。

本实施例中的电源板7可采用现有技术中已有的电源板，例如整流器。本实施例中的控制板8也可以采用现有技术中已有的控制板，例如单片机控制板。

本实施例中的振动单元9也可以采用现有技术中已有的振动单元。

其结构例如是：主要由可动铁芯和电磁线圈等组成，其作用是将交流电进行半波整流所得到的脉动电压加到电磁线圈上，利用其电磁力使可动铁心产生振动。

振源的两个输出端6a、6b对称安装在可动铁芯上。

此外，本实施例中的振源1还包括外壳10、显示屏11、频率调节旋钮12、幅度调节旋钮13以及信号输出接口14等部件。

其中，电源板7、控制板8和振动单元9均位于外壳10内，显示屏11、频率调节旋钮12、幅度调节旋钮13以及信号输出接口14分别通过线缆连接于控制板8上。

频率调节旋钮12以及幅度调节旋钮13的作用在于分别调节入射波的频率和幅度。

在图1中示出的频率调节旋钮12包括“频率+”按钮、“频率-”调节按钮以及复位按钮。其中，“频率+”按钮用于增大信号的频率，“频率-”按钮用于降低信号的频率。

显示屏11的作用在于实时显示入射波的频率和幅度信息。

在外壳10上对应显示屏的位置设有安装孔15，显示屏11安装于安装孔15内。

在外壳10上对应频率调节旋钮12和幅度调节旋钮13的位置分别设有旋钮孔，其中，频率调节旋钮12和幅度调节旋钮13由各自对应的旋钮孔伸出。

此外，在外壳10上对应信号输出接口14的位置还设有通孔16。

本实施例采用具有两路输出的振源1，能够研究不同反射机构对反射波振幅的影响。

另外，通过信号输出接口14能够将入射波的频率和幅度信息输出到示波器，可以比对弦线拉力调测机构的信号关键参数，加深学生对机械波理论的理解。

具体的，弦线拉力调测机构包括基板17、拉力传感器18以及弦线拉力调节单元。

如图1所示，水平滑轨2上设有沿其长度方向伸展的滑槽19，滑槽19优选有两个。

基板17下部设有滑动块20，如图5所示。滑动块20有两个，且每个滑动块20位于一个滑槽19内，基板17在安装之后可沿滑槽19的长度方向(即图2左右方向)进行滑动。

拉力传感器18有两个，且分别通过螺栓固定安装于基板17(表面)上。

每个拉力传感器18对准振源1的一个输出端，例如图2中示出的拉力传感器18a对准输出端6a，拉传感器18b则对准输出端6b。

此处的对准，是指拉力传感器18与相应的振源输出端在左右方向上相对。

弦线有两根，分别定义为弦线5a和弦线5b，如图1和图2所示。

其中，振源1的一个输出端6a与该输出端相对的拉力传感器18a通过弦线5a连接，振源1的另一个输出端6b与该输出端相对的另一拉力传感器18b通过弦线5b连接。

弦线与拉力传感器的连接方式、以及弦线与振源的输出端的连接方式相同。

例如，在拉力传感器上与弦线的连接位置以及振源的输出端与弦线的连接位置分别设置弦线安装孔47，弦线的端部直接系在弦线安装孔47上即可，如图1所示。

在上面已经述及，本实施例中滑槽19有两个，且每个滑槽19位于其中一根弦线下方。

弦线拉力调节单元在水平滑轨2上为固定安装。

该弦线拉力调节单元与由基板17和两个拉力传感器18组成的整体连接，且被配置为用于向由基板17和两个拉力传感器18组成的整体施加推力和拉力。

通过推拉由基板17和拉力传感器18组成的整体，利于实现弦线上张力的调整。

如图2所示，带狭缝刀口的滑动座4位于其中一个滑槽19内，该滑槽19上方的弦线(例如图2中的弦线5a)经由狭缝刀口21水平穿过。

此外，水平标尺3也安装于水平滑轨2上，且水平标尺3与弦线5a、5b平行设置。

如图6所示，带狭缝刀口的滑动座4包括滑动座基板22、滑动块23、顶紧螺栓24以及狭缝刀口板25。其中，滑动座基板22为水平布置，该滑动座基板22优选为方形板。

滑动块23连接于滑动座基板22下表面且伸入滑槽19内，且可沿滑槽19长度方向移动。

狭缝刀口板25垂直安装于滑动座基板22的上表面，狭缝刀口板25的上部采用刀刃结构。狭缝刀口21设置于狭缝刀口板25的顶部边沿中间位置。

其中，狭缝刀口板25的顶部边沿方向垂直于滑槽19的长度方向，如图2所示。

该狭缝刀口板25优选采用矩形板。

此外，在滑动座基板22的边部设有螺栓孔(未示出)。顶紧螺栓24与该螺栓孔螺纹连接且穿过螺栓孔。顶紧螺栓24的作用在于实现带狭缝刀口的滑动座4的位置固定。

即：当带狭缝刀口的滑动座4需要移动时，松开顶紧螺栓24，则顶紧螺栓24会沿着滑槽19的长度方向移动，当位置确定后，拧紧顶紧螺栓24实现位置固定。

如图7所示，弦线拉力调节单元包括传感器连接板26、连接柱27、调节螺栓28以及安装墙板29，其中，本实施例中连接柱27有两个。

每个拉力传感器18分别通过一个连接柱27固连到传感器连接板26上，例如焊接。通过传感器连接板26可将拉力传感器18a、18b连接为一体。

拉力传感器18与安装墙板29位于传感器连接板26的不同侧，例如在图2中，拉力传感器18位于传感器连接板26的左侧，而安装墙板29位于传感器连接板26的右侧。

安装墙板29固定于水平滑轨2的端部，该固定方式例如为螺栓连接。

安装墙板29的作用在于提供调节螺栓28的安装平台。

如图8和图9所示，在安装墙板29上设有螺栓孔(未示出)，调节螺栓28由该螺栓孔的一端(例如右端)伸入且从另一端(例如左端)穿出。

调节螺栓穿出的一端与传感器连接板26相连，用于向传感器连接板施加推力和拉力。由于传感器连接板26与拉力传感器18固连，因而会实现对拉力传感器的推拉动作。

调节螺栓28与传感器连接板26的连接方式有多种，且在二者安装完成后，调节螺栓28的连接端部在竖直面内能够相对于传感器连接板26进行旋转。

本实施例提供了一种较佳的调节螺栓28与传感器连接板26连接结构。

如图7所示，传感器连接板26上对应调节螺栓28的安装位置设有轴承安装孔30，调节螺栓28穿出的一端(左端，即连接端部)表面光滑且未设置外螺纹。

调节螺栓28穿出的一端与传感器连接板之间通过插入轴承安装孔的轴承连接。当调节螺栓28相对于安装墙板29左右旋动时，能够对传感器连接板26进行推拉。

本实施例通过以上结构的弦线拉力调节单元，能够改变弦线5a、5b上张力的大小，以便供实验者在不同实验条件下开展实验。

如图10所示，弦线拉力调测机构还包括与各拉力传感器对应的一组传感器采集单元。

以其中一组传感器采集单元为例：

每组传感器采集单元均包括单片机31、张力显示屏32和张力信号输出接口33。拉力传感器18、张力显示屏32和张力信号输出接口33通过信号线缆分别与单片机31相连。

通过拉力传感器18a、18b分别测量弦线5a、5b上的张力，并将采集到的弦线张力分别传递至对应的单片机31，由单片机31控制相应的张力显示屏32进行显示。

本实施例还能通过张力信号输出接口33将信号传送至示波器，以实时观察弦线张力变化，与入射波波形进行对比加深对机械波理论的理解，并可实施测量得到张力大小。

综上，本实施例通过弦线拉力调测机构，不仅能够更准确的测量弦线上的张力，还能够微调弦线张力，并提供波动在弦线上传播时弦线张力的实时变化曲线。

如图1所示，驻波实验装置还包括波动叠加演示单元34，该波动叠加演示单元34通过螺栓固定安装于水平滑轨2上，且位于振源1的左侧。

通过该波动叠加演示单元34，能够很好地演示两列波的叠加过程。

图11和图12示出了波动叠加演示单元的结构，由图11和图12可知，波动叠加演示单元包括波动信号生成电路35、信号合成电路36、调相电路37以及三路信号输出接口。

定义三路信号输出接口分别为第一输出接口38、第二输出接口39和第三输出接口40。

波动信号生成电路35优选采用正弦波信号生成电路或余弦波信号生成电路。其中，正弦波或余弦波信号生成电路均可以采用已有的正弦波或余弦波信号生成电路。

该波动信号生成电路35的作用在于产生正弦波或余弦波信号。

波动信号生成电路35的信号输出端分别连接至第一输出接口38、信号合成电路36的一个信号输入端以及调相电路37的信号输入端。

调相电路37信号输出端分别连接至信号合成电路36另一信号输入端和第二输出接口39。

信号合成电路36的信号输出端连接至第三输出接口40。

以波动信号生成电路35生成正弦波信号为例：

波动信号生成电路35产生正弦波，并分为完全相同的三路，一路经过第一输出接口38输出，一路进入信号合成电路36，另外一路经调相电路37后进入信号合成电路36。

调相电路37用于调节其中一路正弦波的相位，并将相位调整后的正弦波输入至信号合成电路36。信号合成电路36对输入的两路正弦波进行合成，得到合成波形。

其中，经调相电路37相位调整之后的正弦波由第二输出接口39输出，而经信号合成电路36合成后的波形则由第三输出接口40输出。

第一输出接口38、第二输出接口39和第三输出接口40分别通过信号线缆连接至示波器。

本发明无需手持进行波动叠加演示，减少了人为参与过程，演示时间持久，且保证了实验的可重复性；此外，本发明也能够保证实验中稳定的观测到驻波现象。

信号合成电路36优选采用加法器电路。

调相电路37也可采用成熟的调相电路，例如可变移相调相电路。

当然，本发明也可以采用其他已有的且容易想到的波动信号生成电路35、信号合成电路36以及调相电路37的具体结构，本发明并不作具体限制。

本发明通过将波动信号生成电路35、信号合成电路36以及调相电路37进行组合，同时配合示波器显示，能够较好地演示两列波叠加前、叠加过程以及叠加后的结果。

如图11所示，本实施例中的波动叠加演示单元还包括壳体41。

其中，波动信号生成电路35、信号合成电路36以及调相电路37均位于壳体41内。在壳体41上对应三路信号输出接口的位置分别设置一个通孔，即通孔42、43、44。

调相电路37配置有调相旋钮45，用于实现对输入到调相电路内信号相位的调整。调相旋钮45，以及调相电路37与调相旋钮45的连接关系也均为已知结构，此处不再赘述。

在壳体41上对应调相旋钮45的位置还设置一个旋钮孔46，调相旋钮由旋钮孔向外伸出。

此外，本实施例中驻波实验装置还包括供电单元(图中未示出)。

振源1、弦线拉力调测机构、波动叠加演示单元34分别通过导线与供电单元相连，供电单元用于向振源1、弦线拉力调测机构、波动叠加演示单元34供电。

由于供电单元为已有结构，因此本发明并不做过多描述。

实施例2

如图13所示，本实施例2述及了一种验证驻波公式实验的实验方法，该方法基于上述实施例1中述及的驻波实验装置实现。下面对该实验方法进行详细说明。

根据波动理论，弦线上驻波各参量之间满足波动方程为：

其中，λ为驻波波长，f为驻波频率，μ为弦线的线密度，T为弦线的张力。

如图1中提供了两种不同结构的反射机构，分别为弦线5a、弦线5b所在反射机构。

在弦线5a所在的反射机构中，频率为f的入射波经狭缝刀口21反射后形成反射波，入射波和反射波在弦线5a中叠加；调整狭缝刀口21的位置改变入射波和反射波之间的相位差使之为0，即可在弦线5a上获得驻波，使用水平标尺3能够测量得到驻波的波长；其中，弦线5a张力可由拉力传感器设定得到；将各个参量数值带入波动方程验证波动理论的正确性。

在弦线5b所在反射机构中，频率为f的入射波经拉力传感器反射后形成反射波，入射波和反射波在弦线5b中叠加；通过微调弦线5b长度改变弦线张力即可在弦线上形成驻波，使用水平标尺3测量得到驻波的波长，将各参量数值带入波动方程即可验证理论的正确性。

以弦线5a所在的反射机构为例，研究驻波各参数之间关系的具体操作方法如下：

I.1.首先将驻波实验装置通电；

I.2.使用相同材料和长度的弦线，调节弦线拉力调节单元使弦线拉紧；

I.3.记录张力显示屏32上的弦线张力值；

I.4.打开振源1，旋转频率调节旋钮12，调整入射波输出频率为90Hz；

I.5.沿滑槽19的长度方向移动带狭缝刀口的滑动座4的位置，直到在带狭缝刀口的滑动座4上方的弦线5a观察到波节清晰稳定的驻波，使用水平标尺3读出波长；

I.6.将以上各参量数值代入波动方程，即可验证波动理论的正确性。

实施例3

如图14所示，本实施例3述及了一种研究波动方程的成立条件的实验方法，该方法基于上述实施例1中述及的驻波实验装置实现。下面对该实验方法进行详细说明。

根据一维波动方程的推导理论，只有当波动在弦线上的扰动很小，有扰动所引起弦线的附加伸长与因弦线中存在张力而具有的原有伸长相比可以忽略时，波动方程才能成立。

现有技术中均未提及此先决条件，也未有相关实验验证此条件对理论的支撑作用。

本实施例中振源1设有幅度调节旋钮13，可设定波动幅度。

通过采用固定变量法，在其他实验条件不变的前提下，仅改变波动幅度大小，形成驻波并测量各参量值，比较实验结果与波动方程理论的符合性，即可验证波动方程的成立条件。

具体操作方法如下：

II.1.首先将驻波实验装置通电；

II.2.使用相同材料和长度的弦线，调节弦线拉力调节单元使弦线拉紧；

II.3.记下张力显示屏32上的弦线张力数值；

II.4.打开振源1，旋转频率调节旋钮12，调整入射波输出频率为90Hz；

II.5.旋转幅度调节旋钮13至入射波幅度最大；

II.6.沿滑槽19的左右方向移动带狭缝刀口的滑动座4的位置，直到在带狭缝刀口的滑动座4上方的弦线5a上观察到波节清晰稳定的驻波，使用水平标尺3读出波长；

II.7.旋转幅度调节13旋钮使入射波幅度值变为最大幅度值的1/4或1/6，保持带狭缝刀口的滑动座4上方的弦线张力不变，重复上述步骤II.1-步骤II.6的实验过程；

需要说明的是，该步骤中入射波幅度值并不局限于上述值，只要相对较小即可。

II.8.将入射波幅度值为最大幅度值时以及入射波幅度值为最大幅度值的1/4或1/6时测得的各个参数分别代入波动方程，即可验证波动方程的成立条件。

实施例4

如图15所示，本实施例4述及了一种不同反射机构对反射波振幅影响的对比实验的方法，该方法基于上述实施例1中的驻波实验装置实现。下面对该实验方法进行详细说明。

根据驻波理论，设两个振幅相同、频率相同、初相皆为0且分别沿OX轴正、负方向传播的简谐波的波动函数为：

驻波的表达式为

现有实验装置的设计思路中，入射波的表达式即y₁、反射波表达式即y₂，在弦线上形成的驻波的表达式即y。实验装置中，入射波经狭缝刀口21反射后形成反射波。

但从实验中可获知，入射波并非完全被反射，因此所观察到的驻波的振幅小于2A。

本实施例为弦线5a和5b提供了不同的反射机构，一种是弦线5a所在的反射机构，另一种是弦线5b所在的反射机构，两种反射机构的反射率不同。

以两种不同的反射机构获得不同振幅的驻波，并通过水平标尺3测量振幅的数值，可以为实验者为理解驻波合成原理和研究驻波幅度提供了直观认知和实验条件。

具体操作方法如下：

III.1.首先将驻波实验装置通电；

III.2.使用相同材料和长度的弦线，调节弦线拉力调节单元使弦线拉紧；

III.3.打开振源1，旋转频率调节旋钮12，调整入射波输出频率为90Hz，然后，旋转幅度调节旋钮13，使得入射波的幅度调整至最大；

III.4.沿滑槽19的左右方向移动带狭缝刀口的滑动座4的位置，直到在弦线5a上观察到波节清晰稳定的驻波，使用测量尺(需单独准备)测量弦线5a上驻波振幅的大小；

III.5.调节弦线拉力调节单元，直到在弦线5b上观察到波节清晰稳定的驻波，使用测量尺(需单独准备)测量弦线5b上驻波振幅的大小；

III.6对比两个驻波振幅的大小，实现不同反射机构对反射波振幅影响的对比实验。

实施例5

本实施例5述及了一种两列波的叠加演示过程的实验方法，该方法基于上述实施例1中述及的驻波实验装置实现。下面对该实验方法进行详细说明。

首先将驻波实验装置通电，将波动叠加演示单元的三路信号输出接口分别连接到示波器上，调节调相旋钮，在示波器上演示叠加之前的两路波动信号以及叠加之后的信号。

本发明适用于物理实验中与机械波和驻波有关的原理验证和分析研究。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (10)

1.一种驻波实验装置，其特征在于，包括：

振源、水平滑轨、水平标尺、带狭缝刀口的滑动座、弦线以及弦线拉力调测机构；振源和弦线拉力调测机构均位于所述水平滑轨上，且分别位于水平滑轨的相对端部；

振源在水平滑轨上为固定安装，该振源的输出端有两个；

所述弦线拉力调测机构包括基板、拉力传感器以及弦线拉力调节单元；

所述水平滑轨上设有沿其长度方向伸展的滑槽，基板下部设有伸入所述滑槽的滑动块；

所述拉力传感器有两个，且分别固定安装于所述基板上；

每个拉力传感器对准所述振源的一个输出端；

所述弦线有两根，振源的一个输出端与该输出端相对的拉力传感器通过一根所述弦线连接，振源的另一个输出端与该输出端相对的另一拉力传感器通过另一根所述弦线连接；

所述滑槽的数量有两个，且每个所述滑槽分别位于一根所述弦线下方；

所述弦线拉力调节单元在水平滑轨上为固定安装；

该弦线拉力调节单元与由基板和两个拉力传感器组成的整体连接，且被配置为用于向由基板和两个拉力传感器组成的整体施加推力和拉力；

带狭缝刀口的滑动座位于其中一个滑槽内，该滑槽上方的弦线经由狭缝刀口水平穿过；

所述水平标尺安装于水平滑轨上，且水平标尺与所述弦线平行设置；

所述振源包括电源板、控制板以及振动单元；其中，电源板通过线缆与控制板相连，电源板通过线缆与振动单元相连；振源的两个输出端连接在振动单元上；

所述振源还包括外壳、显示屏、频率调节旋钮、幅度调节旋钮以及信号输出接口；

所述电源板、控制板以及振动单元均位于外壳内；

显示屏、频率调节旋钮、幅度调节旋钮和信号输出接口分别通过线缆连接于控制板上；

在外壳上对应显示屏的位置设有安装孔，显示屏置于所述安装孔内；

在外壳上对应频率调节旋钮和幅度调节旋钮的位置分别设有旋钮孔，频率调节旋钮和幅度调节旋钮由各自对应的旋钮孔伸出；在外壳上对应信号输出接口的位置设有通孔；

所述弦线拉力调测机构还包括与每个拉力传感器对应的一组传感器采集单元；

每组传感器采集单元分别包括单片机、张力显示屏以及张力信号输出接口；拉力传感器、张力显示屏以及张力信号输出接口通过信号线缆分别与所述单片机相连。

2.根据权利要求1所述的驻波实验装置，其特征在于，

所述带狭缝刀口的滑动座包括滑动座基板、滑动块、顶紧螺栓以及狭缝刀口板；滑动座基板为水平布置，滑动块连接于所述滑动座基板下表面且伸入所述滑槽内；

狭缝刀口板垂直安装于所述滑动座基板的上表面，该狭缝刀口板的上部采用刀刃结构；

所述狭缝刀口设置于所述狭缝刀口板的顶部边沿中间位置；

在滑动座基板的边部设有螺栓孔，顶紧螺栓与该螺栓孔螺纹连接且穿过所述螺栓孔。

3.根据权利要求1所述的驻波实验装置，其特征在于，

所述弦线拉力调节单元包括传感器连接板、连接柱、调节螺栓以及安装墙板；

所述连接柱有两个；每个拉力传感器分别通过一个连接柱固连到所述传感器连接板上；

所述安装墙板与拉力传感器分别位于所述传感器连接板的不同侧；

所述安装墙板固定于水平滑轨的端部；

所述安装墙板上设有螺栓孔，调节螺栓由该螺栓孔的一端伸入且从另一端穿出；

调节螺栓穿出的一端与所述传感器连接板相连，且用于向传感器连接板施加推力和拉力。

4.根据权利要求3所述的驻波实验装置，其特征在于，

所述传感器连接板上对应调节螺栓的安装位置设有轴承安装孔；

所述调节螺栓穿出的一端表面光滑且未设置外螺纹；

所述调节螺栓穿出的一端与传感器连接板之间通过插入所述轴承安装孔的轴承连接。

5.根据权利要求1所述的驻波实验装置，其特征在于，

所述驻波实验装置还包括波动叠加演示单元，该波动叠加演示单元还包括波动信号生成电路、信号合成电路、调相电路以及三路信号输出接口；

定义三路信号输出接口分别为第一输出接口、第二输出接口以及第三输出接口；

所述波动信号生成电路的信号输出端分别连接至第一输出接口、信号合成电路的一个信号输入端以及调相电路的信号输入端；调相电路的信号输出端分别连接至信号合成电路的另一个信号输入端和第二输出接口；所述信号合成电路的信号输出端连接至第三输出接口。

6.根据权利要求5所述的驻波实验装置，其特征在于，

所述波动叠加演示单元还包括壳体和调相旋钮；波动信号生成电路、信号合成电路以及调相电路均位于壳体内；壳体上对应三路信号输出接口的位置分别设置一个通孔；

所述壳体上对应调相旋钮的位置设置一个旋钮孔，调相旋钮由所述旋钮孔向外伸出。

7.一种验证驻波公式实验的实验方法，基于如上述权利要求1至6任一项所述的驻波实验装置；其特征在于，所述实验方法包括如下步骤：

I.1.首先将驻波实验装置通电；

I.2.使用相同材料和长度的弦线，调节弦线拉力调节单元使弦线拉紧；

I.3.记录张力显示屏上的弦线张力值；

I.4.打开振源，旋转频率调节旋钮，调整入射波输出频率为90Hz；

I.5.沿滑槽的长度方向移动带狭缝刀口的滑动座的位置，直到在带狭缝刀口的滑动座上方的弦线观察到波节清晰稳定的驻波，使用水平标尺读出波长；

I.6.将以上各参量数值代入波动方程，即可验证波动理论的正确性。

8.一种研究波动方程的成立条件的实验方法，基于如上述权利要求1至6任一项所述的驻波实验装置；其特征在于，所述实验方法包括如下步骤：

II.1.首先将驻波实验装置通电；

II.2.使用相同材料和长度的弦线，调节弦线拉力调节单元使弦线拉紧；

II.3.记下张力显示屏上的弦线张力数值；

II.4.打开振源，旋转频率调节旋钮，调整入射波输出频率为90Hz；

II.5.旋转幅度调节旋钮至入射波幅度最大；

II.6.沿滑槽的左右方向移动带狭缝刀口的滑动座的位置，直到在带狭缝刀口的滑动座上方的弦线上观察到波节清晰稳定的驻波，使用水平标尺读出波长；

II.7.旋转幅度调节旋钮使入射波幅度值变为最大幅度值的1/4或1/6，保持带狭缝刀口的滑动座上方的弦线张力不变，重复上述步骤II.1-步骤II.6的实验过程；

II.8.将入射波幅度值为最大幅度值时以及入射波幅度值为最大幅度值的1/4或1/6时测得的各个参数分别代入波动方程，即可验证波动方程的成立条件。

9.一种不同反射机构对反射波振幅影响的对比实验的实验方法，基于如上述权利要求1至6任一项所述的驻波实验装置；其特征在于，所述实验方法包括如下步骤：

III.1.首先将驻波实验装置通电；

III.2.使用相同材料和长度的弦线，调节弦线拉力调节单元使弦线拉紧；

III.3.打开振源，旋转频率调节旋钮，调整入射波输出频率为90Hz，然后，旋转幅度调节旋钮，使得入射波的幅度调整至最大；

III.4.沿滑槽的左右方向移动带狭缝刀口的滑动座的位置，直到在一号弦线上观察到波节清晰稳定的驻波，使用测量尺测量一号弦线上驻波振幅的大小；

III.5.调节弦线拉力调节单元，直到在二号弦线上观察到波节清晰稳定的驻波，使用测量尺测量二号弦线上驻波振幅的大小；

III.6对比两个驻波振幅的大小，实现不同反射机构对反射波振幅影响的对比实验；

其中，一号弦线为位于带狭缝刀口的滑动座上方的弦线。

10.一种两列波的叠加演示过程的实验方法，其特征在于，基于如上述权利要求6所述的驻波实验装置；其特征在于，所述实验方法包括如下步骤：

驻波实验装置通电，将波动叠加演示单元的三路信号输出接口分别连接到示波器上，调节调相旋钮，在示波器上演示叠加之前的两路波动信号以及叠加之后的信号。

Images