改進干涉實驗器材

1、改進干涉實驗器材 獲取形似干涉條紋江蘇省南通市啟秀中學(xué) （226001） 馬云芳 高滁山人教版高中物理教科書選修3-4中第39頁波的干涉實驗插圖是沿用多年的水波干涉圖樣，如圖1所示。此插圖的缺點是干涉條紋不清晰，不能看出誰是干涉加強區(qū)誰是干涉減弱區(qū)，干涉加強區(qū)與干涉減弱區(qū)相互間隔開來這一特點也未顯現(xiàn)出來，那一場景，與光的雙縫干涉圖樣相去甚遠。那么，在發(fā)波水槽中能否做出類似于教科書選修3-4中第55頁圖13.2-1那樣的干涉條紋呢（見圖2）？也就是有明顯加強區(qū)域和減弱區(qū)域且相互間隔開來的圖樣。實踐證明將實驗裝置稍作改進是可以做到的。圖2圖1一般學(xué)校使用的發(fā)波水槽不管振動器是機械式的還是電子式的，

2、用久了會失靈，而且振動器的振動頻率偏小調(diào)節(jié)范圍也偏小且不穩(wěn)定。針對這一問題我用電磁打點計時器來代替發(fā)波水槽的振動器，收到了意想不到的效果。具體做法是：將電磁打點計時器振動片上的打點針取下，裝上發(fā)波水槽上的雙球振子，并將兩振子間距離增大至5cm左右；把發(fā)波水槽以及電磁打點計時器放在投影器上，調(diào)整發(fā)波水槽與電磁打點計時器的位置，使雙球振子盡可能位于水槽的中央；向水槽內(nèi)注入15-20mm深的水，使兩振子小球有1/3沒入水中；分別接通投影器和電磁打點計時器的電源（電壓取交流2V），在屏幕上即可出現(xiàn)如圖3所示的干涉圖樣。實驗裝置如圖4所示。圖3、圖4是用數(shù)碼照相機拍攝的，由于水波傳播過程是動態(tài)變化的，拍

3、攝圖3時光圈取最小值，曝光時間長于0.1秒。反復(fù)試驗證明，利用電磁打點計時器做振動器實驗中不調(diào)節(jié)頻率也能獲得良好的實驗效果，說明用發(fā)波水槽中做水波干涉實驗時，雙球振子振動的頻率f50Hz左右時具有最佳的實驗效果。將兩振子之間的距離增大至d5cm左右，既使兩振子之間有足夠多的干涉條紋，同時滿足了dkf（kN）。實驗成功的另一關(guān)鍵因素是振動器的兩個小球振子浸入水中的深度要適當(dāng)。圖3圖4圖5圖5是波的干涉原理分析示意圖，從圖中可見振動加強的區(qū)域和振動減弱的區(qū)域是互相間隔開來的。對比圖3和圖5不難發(fā)現(xiàn)改進后的實驗干涉圖樣與理論推導(dǎo)的結(jié)果基本一致；如果把光的雙縫干涉圖樣即圖2跟圖3比較發(fā)現(xiàn)它們是那么驚人

4、的相似，如果將課本上“水槽中水波的干涉”插圖由圖1改為圖3，經(jīng)過課堂實驗驗證將使波的干涉教學(xué)達到理論與實踐的完美結(jié)合，更有利于學(xué)生理解“波的干涉”以及“干涉圖樣”的意義，也為后續(xù)學(xué)習(xí)“光的干涉”和“雙縫干涉圖樣”鋪平了道路。反觀圖1與圖5以及圖2的聯(lián)系就不那么直觀、清晰了。直接影響了教師的教學(xué)和學(xué)生的理解，建議高中物理課本選修3-4中圖12.62“水槽中水波的干涉”插圖使用象圖3這樣的照片。用發(fā)波水槽上的振動器為什么不能調(diào)節(jié)到圖3那樣的效果呢？分析如下。我校物理實驗室使用的是WHM型電動發(fā)波水槽，其技術(shù)參數(shù)如下：（1）供電電壓：直流12V（2）振動頻率：110Hz（3）使用電流：300mA使用這樣的實驗裝置就只能產(chǎn)生象圖1那樣的水波干涉圖樣，產(chǎn)生象圖3那樣效果的干涉圖樣是振子的振動頻率為50Hz的條件下獲得的。假設(shè)水波傳播速度v一定，根據(jù)公式v/f可知，波長與波的頻率f成反比關(guān)系，實驗表明在發(fā)波水槽中水波的波長太長、振幅過大都不利于穩(wěn)定的干涉條紋的形成，從圖5波的干涉原理分析示意圖可以窺見由于波的頻率較低、波長較長，雙球振子之間僅能作出5條干涉條紋。從圖1還可看到雙球振子之間的距離偏小、雙球振子之間的條紋數(shù)太少也不利于穩(wěn)定干涉條紋的產(chǎn)生。本文建議有關(guān)實