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物理科学小制作教程 新型水波干涉仪

自制水波干涉仪的结构、原理、制作及使用方法。利用该装置可演示水波的干涉及衍射。

作为水波干涉演示实验所用的相干波源,要达到良好的演示效果,需要满足的主要条件有:

1)两列波产生的过程直观,原理易于为学生所理解;

2)能方便地调节波源的频率、振幅;

3)性能稳定,工作可靠。

现有的水波干涉演示仪所用的相干波源有弹簧片振动式(分电机策动和电磁策动)、滴水式和断续气流式(用增氧泵产生气流)等,它们各有特点。为寻求更佳的实验效果,我们利用低频扬声器及其驱动电路性能稳定,可长时间在低频率、大振幅情况下可靠工作的特点,设计制作了一新型气泵式相干波源。

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1.仪器结构及原理

相干波源主体由低频信号发生器及其功率放大器、大功率长冲程扬声器和其它配件组成。由频率可调的低频信号发生器产生的正弦波,经功率放大后驱动扬声器,其振膜的振动驱动泵箱内空气,并经两喷气管策动水面,形成相干波源(其基本结构如图1所示)。

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图1相干波源主体框图

2.仪器的制作

2.1专用信号发生器及放大器

本仪器所用的信号发生器为专门设计的低频正弦波发生器,功率放大器为音频集成功放,它们分别以集成电路μA741,TDA2030为核心,参考电路如图2(a)所示。调节W1和W2即可改变相干波源的频率及振幅。该电路的电源如图2(b)所示。采用半波整流取出“+”、“-”双直流电源,是为了配合现有的大部分学生电源均为单交流输出而设计的,其中2Ω/10W的电阻是为了防止开机电容充电时很大的浪涌电流而引起学生电源过流保护。当然,电源部分也可用电源变压器及整流、滤波电路提供。

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图2信号发生器及放大器电路

2.2扬声器及泵箱

扬声器采用“银笛YD131-724XS”低音扬声器。泵箱是把扬声器的前端用一块(开有与扬声器口径等大的孔)软塑料密封垫圈和一块(开有两个直径8mm的出气孔)透明有机玻璃盖板一起用螺钉密封而成。这样可以直观的看到扬声器振膜的振动,便于说明相干波源的产生机理。然后把长2cm,内外径分别为4mm和8mm的硬塑料管插入两出气孔(一端与有机玻璃板平齐),并用万能胶粘牢、密封。装配示意图如图3所示。

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图3扬声器及泵箱装配图

2.3喷气管及喷头

喷气管采用直径8mm的输血胶管,一端与泵箱相连,另一端需加长约10cm,口径约2mm的喷头(可直接采用质地较硬的圆珠笔芯),两喷头的间距约为4~8cm,任意可调,以适合不同波长的相干波。为调节方便,用一根长6cm,内外径分别为18mm和20mm的硬塑料管和另一根长6cm,内外径分别为16mm和18mm的硬塑料管组成一个两节伸缩式圆柱套管,然后把两喷头分别固定在该套管的两端(如图4所示)。

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图4喷气管及喷头

2.4总装

将电路部分安装在一机箱内,频率调节旋钮、振幅调节旋钮和电源开关安装在箱体面板上,并引出电源线和扬声器连接线;喷气管与泵箱的连接则做成可任意拔插式,两喷头固定在圆柱套管上,然后用试管夹及铁架台将其置于发波水槽水面上方约1cm处。实物连接如图5所示。

3.使用方法

按图5把电源线与学生电源的交流输出接线柱(取交流12V)相连,开启相干波源电源开关,适当调节频率、振幅旋钮、两喷气管口间距及投影仪,在投影屏幕上即可观察到明显的水波干涉图样(喷气管口与水面的间距一般取2cm)。如果要演示两列频率、振幅不相等的水波的相遇情况,只需用两台该相干波源各自的一个喷气管,并调节使它们的频率、振幅不相等即可。该仪器除能演示波的干涉外,还能演示波的衍射。使用时只需拔去其中一喷气管并用小塞子堵住该出气孔,然后在水中适当位置放置障碍物或小孔即可。

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图5总装示意图

本装置设计中采用的文氏电桥正弦波发生器及低频功率放大器,其核心集成电路性能稳定,外围电路简单,取材容易,成本低;频率为1~300Hz任意可调(当频率超过50Hz时,水波的波长较小,不适于演示),并保证足够振幅;用空气作传递振动介质,通过气流策动水面而产生水波,避免了激发头直接安装在扬声器振膜上而容易出现激发头被卡死,导致扬声器和功率放大器损坏,增强了装置的安全性、稳定性和可靠性。

4.参考文献

1.罗星凯.中学物理疑难实验专题研究.桂林:广西师范大学出版社,1998.58~60.


(作者:刘小兵、梁维刚、罗星凯;原载:《物理实验》2001年第11期)

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