在电化教学中,利用水波的投影实验装置,将水槽中产生的表面波及各种波动现象,清晰而生动地投影在幻灯银幕上,用以配合物理教学,讲解波的叠加、干涉和衍射等内容,收到了良好的教学效果。
实验投影装置见图1,由电子振动器、闪频器、幻灯机和消波水槽等组成。便于制作,下面分别予以介绍。

电子振动器
电路见图2。晶体管BG\(_{1}\)~BG4等组成多谐振荡器,用4只晶体管的目的主要是为了降低电路对β的要求,并使振荡稳定。R\(_{3}\)为脉冲宽度微调电阻。W1、W\(_{2}\)分别为频率粗调和微调电阻,阻值最大时,振荡频率最低。D1为隔离二极管,以改善输出波形。多谐振荡器输出的矩形波经电阻R\(_{9}\)藕合至BG5的基极。

晶体管BG\(_{5}\)、BG6等组成电子开关。当BG\(_{4}\)截止时,其集电极为高电位,这时BG5、BG\(_{6}\)导通,电磁铁线圈里有电流通过,线圈中的铁心产生磁性,将衔铁吸合;当BG4导通时,BG\(_{5}\)、BG6截止,电磁铁失磁,衔铁释放。由于衔铁的吸动与释放,带动振子周期性地接触水面,产生水波。
电路中除BG\(_{6}\)外,可用任何型号的高频小功率NPN型硅管,如3DG6、3DK2等,β在30~100范围内,穿透电流要小。BG6要选ICM≥300mA的硅管,β>30,如3DG12、3DK4等。W\(_{1}\)、W2选用线性1W密封电位器。电磁铁用废旧电话继电器改制。改制时,原继电器的弹簧接点拆去不用,线包用线径为0.2mm的漆包线,双线并绕2×2300匝,并联后的绕组电阻约为29Ω。原继电器铁心与衔铁之间防止剩磁的垫片较薄,应换成自行车的气门心(剖开),工作间隙调整在1mm左右。继电器、衔铁、振子、线包的连接安装见图3。

本电路很容易组装成功,电路工作后,电磁铁将衔铁吸动、释放,发出响声。调整时,先把W\(_{1}\)、W2阻值旋至零欧,使振荡频率最高。然后将R\(_{3}\)的滑动触点适当地移向接R4那端,使BG\(_{6}\)的导通时间比截止时间长,增加电磁铁中的平均电流,经实验,R3应调在使整机工作电流在振荡频率最高时为40mA左右,最低频率时,工作电流不小于100mA。
除电路调整外,电子振动器还需要机械调整。因为电磁铁在工作时,衔铁的振动除需要磁场力吸合外,还需要一个相反的释放力,这个力光靠衔铁本身重量不能满足振动的要求,所以还需加一个弹性力。我们用φ0.5mm钢丝(扬琴弦)将衔铁弹回。其弹力大小靠改变电池盒上的杠杆位置进行调节,以使水波的投影波阵清晰且无畸变。
印制电路板见图4(1:1)。整机(包括4节5号电池)装在一个一号电池盒内。

闪频器
在投影仪的光路中装置有类似电影机遮光器的双叶闪频叶片,在电动机的带动下,以900~1800转/分的转速转动,使闪频叶片以30~60次/秒的频率间断地遮住光路。观看银幕时,只有在光路未遮断的1/60~1/120秒内投影上水波的瞬时图样。当闪频频率与水波振动频率完全相同时,银幕上所投影的瞬时图样恰好互相重叠,由于这种同步和视觉暂留作用,便在银幕上观看到静止不动的波阵图,当闪频略低于水波振动频率时,因差频不同步而在银幕上得到缓慢传播的波形。
闪频叶片用直径为20cm的硬纸片或薄铝片参图5样子制作。电动机用能够调速的小型直流电机,如201型玩具电机(工作电压为3伏,转速为5000转/分)。电源用3节甲电池串联。电池、电机与7Ω、2A教学用的滑动变阻器串联,改变滑动变阻器上的滑柄位置,就改变了电机的转速,以改变叶片档住光路的频率。

消波水槽
它是由木制的盘边和透明有机玻璃的底两部分组成的。制作盘边时,先把厚为2.5cm的木板锯成外径为40cm、内径为20cm的圆环,再用钢丝锯和木锉把圆环的内侧面加工成斜坡状。用螺钉把透明有机玻璃固定在木盘底部,作为盘底,再用601粘合剂把盘边和盘底相接处粘牢。为了盛水时不漏,再用稀释的601粘合剂(稀料用香蕉水,比例1:1)在盘边上涂,干后再涂,一般需涂3~4次。盘边的里边衬有纱布,以消除盘边对水波的反射作用。
振子与障板
为了产生各种水波和作波的各种实验,需要制作不同形状的振子和障板。图6给出了几种振子的形状和尺寸,振子用3mm厚的有机玻璃锯成的,截面积可以是3×3或者是3×4(毫米)均可。弯角是用加热的30W电铬铁肚将有机玻璃条烤软,趁热弯成直角,冷后即固定成形。产生圆形波的点状辐射体是用的的塑料图钉的圆片把它粘在振子端,工作时,图片的凸面接触水面。产生直线波的辐射体为一直尺,直尺是用厚为1~1.5mm的有机玻璃作的,制作时,应注意直尺的各棱应垂直。
障板的形状、尺寸见图7。它的作用主要是用来挡住水波,以便作各种实验。图中有的障板为倒“T”型,主要是为了能使障板立于水中。
整个实验装置安装见图1。振动器和电机用的电源可自行选取。
演示方法
圆形波的传播与反射 把图6(a)振子插在图3固定振子铝片中,将电子振动器固定好,使振子的点状辐射体刚接触水面。接通电源,这时在银幕上的投影图样为等间隔的一簇同心圆,以振源为中心,缓慢同速地向外传播。调W\(_{1}\)、W2可以控制传播速度。当把图7(a)所示的障板放在水槽中时,就发生了波的反射现象,弧形反射波与圆形波相遇,叠加后形成梭形的波网。
直线波的传播与反射 用图6(b)振子,在银幕上可以看到波的定向传播。若再放上图7(a)、(f)障板,可以看到波的反射及波的叠加现象。
波的叠加 用图6(c)振子,产生同频率、同相位的圆形波和直线波。在银幕上可以看到,当圆形波与直线波相遇时,形成直线与圆弧线互相交织的网波。也可以在这振子的两种辐射体之间放入图7(d)障板,使窗口与辐射体正对着,将得另一种图形。
波的干涉 本演示不用闪频器,用6(d)振子,可以看到两组圆形波相遇时发生的干涉现象。
波的衍射 本演示用闪频器。用6(b)振子产生直线波,通过摆成一条直线的7(a)、(f)障板之间的缝隙,来观察水的表面波传播方向的改变和绕过障碍物边缘继续传播的衍射现象。
图8给出了以上几种演示的水波波形。

由于本文介绍的实验例子有限,所以图6、图7中有的振子、障板还未用到。其余的实验大家可以根据情况,自己试之。(北京师大附中 孙心若)