一种驻波实验装置、实验方法及其应用与流程

本发明涉属于教学实验领域，尤其是一种驻波实验装置、实验方法及其应用。

背景技术：

目前公知的，在科学探究和物理实验教学中，振动与波的实验中，由于物体的振动过程、波的传播过程变化得十分迅速，以至我们无法观察这些物体运动的全过程和细节。因此我们无法深刻理解它们的运动规律和物理图像。波动情况，我们无法明显观察到波源的振动及波的传播过程及波形图像，这是受到人的视觉暂留效应的影响。人们的眼睛在看到一发光物体后，在眼睛的视网膜上留下该物体的像，然后通过视觉神经传入大脑皮层形成视觉形象。由于人眼的生理特点，在发光物体消失后，人眼视网膜上的像并不立即消失，而是还保留大约0.1秒的时间(眼睛的视觉暂留时间的长短与视网膜所接受的亮度大小有关)，我们将这种现象称之谓眼睛视觉暂留效应。而在观察高速运动的物体时，已经过去的物体的像和现在物体的像，由于视觉暂留效应的影响，而无法区分。为了观察重复的机械运动、振动、波动，有人采用频闪摄影的方法，它能把物体瞬息的运动过程，清晰地记录在照片上，其最大的优点是能将物体一次性的高速运动，非周期性的振动形象地显示在照相上。但其有一个不可克服的缺点，学生观察到只是照片上所记录的运动过程某一个瞬间，缺乏真实感，因此效果并不令人满意。加之，现代中学科学探究和物理实验教学中并没有频闪摄影的项目和器材配备。频闪摄影，技术难度大，成本高，一般业余条件下难以做到，造成了实验教学中的一个教具的空白，使得机械运动、振动、波动因为没有相应的实验器材和实验设计而成为一个疑难实验。

为满足实际教学的需要和填补实验教具的空白，基于这样的背景确定了制作《运动静像化数字处理系统》创新教具的基本思路，用以满足技术和教学的需要。《运动静像化数字处理系统》创新教具，通过创新的思维和独特的设计，成功地对运动现象进行静像化数字处理，以便直观形象的观察，同时以基于中学生的认知基础和数据采集能力与实验条件的现实，做到极为简单的获取相关的要素数据，作为科学探究和物理实验教具效果非常明显。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的驻波实验研究缺乏真实感，制作技术及操作难度大的缺陷，本发明提供一种结构简单合理，操作简便，波动形态完整清晰的驻波实验装置、实验方法及其应用。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种驻波实验装置，它包括可伸缩框架、起振源和旋紧钮，可伸缩框架的两端分别设置有起振源和旋紧钮，起振源与旋紧钮之间连接有水晶线，可伸缩框架上设置有起振源的一端设置有信号接线柱；

可伸缩框架由框架和伸缩管组成；

起振源由电磁螺旋管和薄铁片组成，电磁螺线管中间放置有一端固定的薄铁片。

进一步地，框架的材质为亚克力。

进一步地，薄铁片与水晶线连接。

采用上述技术方案，当向起振源中的电磁螺旋管输入不同频率的电流信号时，由于电磁感应带动薄铁片以相应的频率振动，利用薄铁片的振动带动与其相连的水晶线的振动，在起振源和旋紧钮之间形成驻波，通过调节旋紧钮达到调节水晶线的松紧，从而观察水晶线以与起振源相同频率不同振幅振动的形态。

一种利用上述驻波实验装置演示绳线上的横波运动和共振现象的驻波实验方法，包括以下步骤：

(1)取几根不同的水晶线，将其一端系在起振源上，一端固定在旋紧钮上，形成松紧可调的棉纶弦，信号接线柱上接有信号发生器；

(2)接通信号发生器的电源，调节信号发生器的输出频率，使水晶线在起振源的作用下产生共振现象而形成最大的振动振幅，通过旋紧钮改变锦纶弦的张力使水晶线形成驻波；

(3)用频闪仪发出的白光去照亮弦驻波，使闪光频率和起振源的共振频率稍有不等，此时将观察到弦驻波缓慢的运动过程和运动特点：

(a)水晶线上所有各点的振动频率相同；

(b)水晶线振动的振幅从波节的零值到波腹的最大值；

(c)两个波节之间的质点的运动是同位相的，在节点两边质点的运动是反位相的。

一种利用上述演示绳线上的横波运动和共振现象的驻波实验方法在探讨波的传播速率与绳线张力及绳线密度间的关系以及产生驻波共振条件的应用。

有益效果：

本发明结构简单合理，便于操作，波动形态完整清晰；同时本发明在制作上选取材容易(主要起振部分可用打点计时器等)，有利于教学实验的制作利用，实验的拓展性强。

附图说明

图1是本发明的全剖面结构剖视图；

图2是本发明的同频闪灯照射的实验波形图；

图3是本发明的裸眼观察的实验波形图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，一种驻波实验装置，它包括可伸缩框架、起振源和旋紧钮7，可伸缩框架的两端分别设置有起振源和旋紧钮7，起振源与旋紧钮7之间连接有水晶线6，可伸缩框架上设置有起振源的一端设置有信号接线柱3；

可伸缩框架由亚克力材质框架1和伸缩管2组成；

起振源由电磁螺旋管4和薄铁片5组成，电磁螺线管4中间放置有一端固定的薄铁片5。

如图1-3所示，本发明一种驻波实验装置的起振方式，主要是通过当向起振源中的电磁螺旋管4输入不同频率的电流信号时，由于电磁感应带动薄铁片5以相应的频率振动。利用起振源的振动带动与其相连的水晶线6的振动，在起振源和旋紧钮7之间形成驻波，通过调节旋紧钮7达到调节水晶线6的松紧，从而观察水晶线6以与起振源相同频率不同振幅振动的形态。

实施例1：一维横波弦振荡与其驻波共振：观察在绳线上的横波运动和共振现象，并探讨波的传播速率与绳线张力及绳线之线密度间的关系，及产生驻波共振的条件。

取几根不同的水晶线6，将其一端系在起振源上，一端固定在旋紧钮7上，形成松紧可调的棉纶弦，其棉纶弦的长度可以用旋紧钮和劈尖进进行调节，接通信号发生器电源，调节信号发生器的输出频率，使水晶线6在起振源的作用下产生共振现象而形成最大的振动振幅，通过旋紧钮7改变锦纶弦的张力使水晶线6形成驻波。现在用频闪仪发出的白光去照亮弦驻波，使闪光频率和振源的共振频率稍有不等，此时我们将观察到弦驻波缓慢的运动过程和运动特点：(a)水晶线6上所有各点的振动频率相同；(b)水晶线6振动的振幅从波节的零值到波腹的最大值；(c)两个波节之间的质点的运动是同位相的，在节点两边质点的运动是反位相的。

实施例2：金属长条片的横波振荡：观察不同长度之金属长条片的横波振荡，用以说明条状材料上的驻波和谐波现象，以及探讨金属条的长度和共振频率间的关系。此实验结果可验证细长之悬臂梁之长度和振荡频率与波长间的关联，此即是片条状发音体之乐器的基本工作原理，如钢琴、木琴等乐器。另外，一般人眼和显微镜无法直接观测得的纳米级与微米级之悬臂梁上的力学波振荡现象，亦可藉此实验，了解悬臂梁的设计原理和工作原理，如桥体的检测等。。

取四根长短宽度不一的锯条，将其固定在起振源上，接通信号发生器电源，调节信号发生器的输出频率，使锯条在起振源的作用下产生共振现象而形成最大的振动振幅。

实施例3：环形驻波振荡与电子轨道运动：观察环形的力学驻波现象和产生共振的条件。此实验除可用以探讨环形乐器或其他相关共振系统的现象、工作原理和应用。更可根据此古典力学的驻波振荡现象，简单地说明原子内之电子为何必须在一定的轨道半径上绕原子核运转，进而说明原子中电子能阶不连续的原因，使得以深入了解量子力学中的波尔原子模型。

将金属线环上的某点固定在起振源上，接通低频信号发生器电源，且慢慢增加振动频率，仔细观察金属环上的振动随振动信号之频率改变的情形。

当频率逐渐增加时金属线环会开始以不同的形式振动。在特定频率时，会在金属环上产生驻波现象，并可观察到数个波腹和节点。记录下所有可以观察到之驻波的共振频率、对应的节点数目和两节点间的距离或弧角。

实施例4：弹簧纵波振荡：观察弹簧的纵波振荡和其共振现象，并探讨决定其共振频率主要因素。藉以明了空气中的波动现象、声波的共振和管状乐器的发生原理。

将弹簧的一端固定在起振源上，弹簧的另一端固定在支撑杆的顶端，使弹簧垂直地悬挂起来，并使弹簧绳长约30-60厘米。(为使弹簧一达到共振时，能够保持稳定不晃动。)

接通低频信号发生器电源，且慢慢增加振动频率。仔细观察弹簧上的振动随振动信号之频率改变的情形。慢慢增加频率，在不同的频率下，发现到弹簧的部分地方似乎是静止的(此即节点)，有些却是振动得很剧烈(此即波腹点)。当频率增加，节点数与腹点数也随之增加，而节点和波腹点之间的距离则随之变短。当弹簧达到共振现象时，可能需要调低驱动波的振幅。(在观察节点与腹点时，最好是有对比明显的背景，如我们所用的黑色压克力平板作为实验观察的背景。)

对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。