研究声波的干涉
浙江省宁波市镇海炼化中学 陈君达 浙江省宁波市教研室 李建明
研究性学习相对通常的课堂教学而言，有独到的优势，它非常有利于培养学生的实践能力和创新能力。如何指导学生开展研究性学习活动，这是一个全新的课题，也是当前教改的热点，笔者也进行了一些尝试，现举一个教学中的例子，希望能起到抛砖引玉的作用。
一、课题的提出
讲授了声波的知识后，陈明、密媛姗、何磊三位同学提出了一个很有意义的问题：
陈明：老师，波的两个基本特征是干涉和衍射现象。水波的干涉和衍射现象体现了波的这两个特征，而作为机械波的声波也应该具有这两个特点，声波的衍射现象非常明显，而声波的干涉现象却比较难以观察到。我们能否用实验的方法研究一下声波的干涉现象？如果能用实验的方法观察到声波的干涉现象，那一定非常有趣和有意义！我们想做一下这方面的工作。
陈君达老师（以下简称陈老师）：课本没有安排这方面的实验，可能是因为演示这个实验有难度。你们想做这个实验，想法非常好，我们全力支持！你们需要什么器材，实验室全部提供。同时为了加强研究力量，我们组成一个课题小组。
【教学实践活动是学生获得课题的源泉，教师在教学过程中，只要做有心人，根据学生提出的问题，适时加以引导，是诱发学生进行研究性学习的重要手段。】
二、课题小组成员
学校：浙江省镇海炼化中学；学生：高一（1）班陈明、密媛姗、何磊；指导教师：物理教师陈君达，实验教师于龙夫。
【成立课题小组一方面有利于培养学生团队精神，另一方面也是为了更好发挥学生的创造性，一个好的团队往往就是一个非常好的创造集体。】
三、探索过程
1．第一套方案
陈老师：设计实验首先应有一个大致方案或要点，然后逐步实施，你们准备怎么着手？
【教师有意识引导学生进一步明确实验目的、原理和实施方案。】
何磊：这个问题我们三人已经讨论过了，做这个实验关键有两点：一是要找到相干波源；二是要找到显示干涉的方法，因为声波是直接看不到的。为此我们有个初步方案：如图1和图2所示，实验装置由发声系统和探测系统两部分组成。发声系统由一个带正弦波功率输出的低频信号发生器，两个间距可调的同型号小扬声器（阻抗为8欧的玩具小喇叭），探测系统由动圈话筒和一台多功能录音机组成。我们的设想是这样的：低频信号发生器推动两个扬声器发出两列相干声波，在空间形成稳定的声波干涉现象，这时用移动话筒去探测，在录音机上应该能听到强弱变化明显、有序的声音。（次日）
陈老师：你们试了吗？
密媛姗：试过了，从录音机上听到的声音强弱变化不明显，也就是观察不到明显的干涉现象！
【这个实验结果在教师的意料之中，让学生亲手做一下印象更深刻，教学中有时失败比成功更能获得良好的效果！】
陈老师：你们分析过原因了吗？
何磊：我们认真分析过了，实验原理粗看起来十分完美，其实有重大漏洞：原来是录音机发出的声波与扬声器上发出的声波相互干扰，影响了正常干涉的观察。我们真是太粗心了！
陈老师：那么这个问题你们是怎么解决的呢？
陈明：关键是要消除录音机上发出的声音的干扰，但要是录音机不发出声音的话，我们同时也就观察（听）不到声波的干涉现象了，正当我们陷入困境时，实验室于老师为我们出了个主意：“示波器是用来观察波形的常用设备，你们就用它来试一试吧!”在他的启发下，我们又设计出了另一种实验方案。
【学生进行研究性学习，源于书本而高于书本，有时给予适当的帮助是必须的，但是有限度的，点到为止是一个原则。】
2．第二套方案
陈明：如图3，我们把原来的探测系统改成话筒和音频放大器及示波器组成。话筒将探测到的干涉信号通过音频放大器放大后再用示波器显示。
陈老师：具体试过了吗？
密媛姗：我们在实验室里反复试验过，但不很理想，话筒在空间不同位置探测时，发现话筒放在有些区域时观察到的现象与理论符合得很好，在振动加强区，观察到的波形的波幅较大，振动减弱区，观察到的波形的波幅较小；在有些区域波形波幅的变化比较无序，通过反复仔细的研究，我们发现话筒处在桌子附近或者在柜子、墙壁附近时，波形的波幅变化特别无序（常会出现一些新的波峰）。
【透过现象看到本质，在这种手脑并用、观察与思考同步进行的活动过程中，学生学习的智商得到有效开发，情商不断得到升华，这种教学效果在课堂中往往是无法得到的。】
陈老师：你们考虑过这是什么原因吗？
密媛姗：我们分析过了，其原因主要是，周围表面比较光滑的物体对声波的反射比较强，对扬声器发出的声波具有很强的干扰作用，影响了对正常干涉现象的观察。
陈老师：那么这个问题你们怎么解决呢？
何磊：这个问题我们也深入讨论过了，做好这个实验的关键是要控制反射波，但要消除反射波是不可能的，因此我们遇到了很大的困难。
陈老师：要控制反射波，并不是要消灭反射波，只要把反射波的影响控制在很小的范围之内，不影响观察效果就可以了。再努力一下，希望就在眼前！
【关键时推学生一把!】
3．第三套方案（几天后）
何磊：老师我们成功了！
陈老师：别急，慢慢说！
何磊：起先我们是这样考虑的，为了减小反射波．是否可用棉布把桌面或墙面遮挡起来，或者把实验装置放入类似蚊帐之类的空间内做实验，但由于一时材料准备有困难，没有马上实施，后来我们在上体育课时，突然想到，操场不就是一个最佳的天然实验环境吗！于是一个新方案产生了。新方案的实验器材与第二套方案完全相同，仅是改变一下实验场所：我们把实验器材放到操场草坪的中央做实验，因为操场很空旷，周围建筑物对波的反射的影响比较小，同时草坪对反射波有良好吸收作用，这样反射声波的影响就可忽略，也就能顺利观察到清晰的声波的干涉现象。
【一个头脑有准备的人随时能产生创造的火花！教育的最大成功不在于教给学生多少知识，而是要让学生成为一个头脑时刻有准备的人！】
陈老师：你们讲解一下实验过程好吗？
何磊：我们已经认真试验过了。如图4，把两个小型扬声器S1和S2相距68厘米放置，用频率为f＝1000Hz的低频信号发生器推动它发出声波（波长为34厘米，这时扬声器之间的距离为2λ），这时我们用探测系统反复探测，测出S1和S2之间共有五处振动加强区（如图4中实线所示，其中两处在S1和S2附近没有画出），四处振动减弱区（如图4中虚线所示）。保持S1和S2间距不变，改用f＝1500K的声波做实验（这时S1和S2之间距离为3λ），如图5，我们探测到了七个振动加强区和六个振动减弱区。改变S1和S2的距离及声波的波长，同样得到了类似的结果。实验现象非常清晰和稳定，实验结果与理论分析得出的结论完全一致！
陈老师：你们做得很漂亮，祝贺你们取得成功！
四、汇报总结
陈老师：通过这次研究活动，你们有什么感想？
陈明：有点成功的感觉。
何磊：做实验太有趣了！比做题有意思。
密媛姗：使我学会了思考，学会发现问题和解决问题，您常讲的实验的精髓在于控制，现在我有点体会了！
【这次研究性学习活动，学生很有“物理味道”地围绕“控制”展开探索研究，并初步领会实验的精髓在于控制，这是非常难得的。】
陈老师：你们真棒！下面有两个任务，一是以小论文的形式把这次活动的体会小结一下；二是明天你们向全班同学汇报演示一下你们的成果。
【以小论文形式总结，利于培养学生语言表达能力，总结成功经验，为下一次活动打下基础；汇报演示，可以起到示范和达到共鸣的效果，利于全体学生开展研究性学习活动，同时也是对学生的最好的鼓励。】
次日课外活动时间，三同学在操场上向全班同学演示了他们的成果。先是由密媛姗介绍实验的全过程，包括失败的教训和成功的经验以及实验的关键之处。然后由何磊同学操作演示。演示前，为了使实验更形象，更生动，事前进行了认真的调试，并且很有创意地分别用红色小旗和白色小旗在草坪上分别标出了振动加强区和振动减弱区的位置。整个实验表演非常成功，充分展示了学生的聪明才智。
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