利用教学变频电源定量探究水的表面波波速大小

王 辉 房庆安

(江苏省苏州第十中学校,江苏 苏州 215000)

在物理人教版选修3-4教材中,当讲述到“波长,频率和波速关系”一章节时,课本中提到“机械波在介质中的传播速度由介质本身的性质决定．”关于这段内容的解读和讲授,任课教师通常会以实验已知或课本表述而一笔带过．造成这一授课现象的根本原因是由于缺乏相关演示实验或视频．为了能解决这一难题,将课本知识还原于实验,笔者在学校实验室老师的帮助下搭建了如图1的实验演示装置,用以测定水波波速大小的定量探究实验．该实验需要如下仪器:透射式投影仪,教学用变频电源,振动台,发波水槽．

图1 实验装置

具体的制作和装配流程如下.

利用铝合金型材制作振动连杆,以保证在振动过程中不出现多余的反弹;一端连接起波柱头,另一端通过螺丝与振动台紧密连接(如下图2)．

发波水槽底部用油性笔画上刻度,以2 mm为基本单位画线,避免太密集造成投影不清晰;侧边黏贴泡沫胶,以减小反射波对实验的影响(如下图3);加适量水,大约2 cm深,以刚碰到起波柱头为宜．

图2 振动台、连杆和起波柱头连接

图3 发动水槽

调节教学变频电源的输出频率,利用手机录像截屏的方式,得到不同频率下水的表面波的波形图,根据相邻亮纹间距为半波长的关系,测量得到对应的表面波波长大小,整理如表1.

表1 频率和波长的数据表

图4 频率和波长的关系

将波长取倒数,得到如下与频率的关系

利用Excel的图线拟合功能,根据波长、频率和波速的关系,v=λf,得到该表面波波速为v=0.463 m/s,显然波速与振动源的振动频率无关,为一定值．

说明:本实验在振动频率大于12 Hz时效果较好,表面波的明暗相间条纹清晰;当振动频率小于12 Hz时明暗条纹分布不清晰,分析其原因为,当振动源振动频率减小时,起波柱头入水和出水时间将延长,在上述过程中会产生若干表面波,相互之间叠加,造成水波图样不够清晰．

表2 频率和波长倒数的数据表

图5 频率和波长倒数的关系

本实验设计的初衷主要是为了让学生在课堂上能直观感受波速与振动频率无关这一知识点,因此在测量上比较粗糙,表现在波长的判定测量,水深的设定等等,但基于课堂而言这个误差还是可以接受的．

对本实验后期的改进措施有:选择不同深度的水体,探究水体深度对水面波波速的影响;换用不同的液体,如一定浓度的酒精水溶液,海水,雪碧等透明液体,探究溶液种类对波速的影响．进而得到“波速仅由传播介质决定”这一结论．