论文部分内容阅读
简介
目前，在高中物理教学中，“机械波干涉”实验只有一些定性演示实验，还没有定量测量实验。造成这一局面的主要原因一是没有频率可任意设定的正弦相干波源；二是缺少测量显示干涉场场点波动信号强弱的设备。本实验设计利用Cool Edit Pro软件，成功地解决了以上两个难题。
Cool Edit Pro是一款功能强大、效果出色的多轨录音和音频编辑处理软件，有许多功能可用于中学物理实验教学，本实验只将该软件的两个功能用于声波干涉实验，一是正弦式信号发生，二是声波电平检测。
用Cool Edit Pro软件能生成频率精确且数值可任意设定的正弦式音频信号，通过音频功率放大器推动2个微型扬声器，形成相干声源；用微型麦克风接收2个扬声器发声叠加场区的声波，再用Cool Edit Pro软件中的“电平显示”功能显示声音信号的强弱，就可以进行声波干涉实验定量测量研究。
实验原理
相干声源的产生
原理如图1所示。
从网上下载Cool Edit Pro软件，安装到电脑上，打开Cool Edit Pro软件，点击菜单栏“生成”→“音调”，然后在基础频率栏任意输入发声频率的数值，在调谐特性栏输入1，就能生成输出频率已知的正弦音频信号。产生的音频信号用音乐播放软件播放，從电脑声卡的音频输出插孔输出，再经音频功率放大器放大，推动扬声器S1、S2发声。S1、S2为同相并联，发声时能形成频率、相位、振幅都相同的相干声源。S1、S2为带有助声腔的φ10无源蜂鸣器，由于发声孔很小，因此S1、S2发声时可视为较理想的“点声源”。
干涉声场场点声强的检测
确定声波强弱的方法有2种。
录音电平
先用驻极体话筒制作一微型麦克风，将麦克风接入电脑声卡MIC插孔，打开Cool Edit Pro软件，在波形编辑界面下，点击菜单栏“选项”→“录音电平”，就可以打开用于监视录音电平的电平表，通过电平表幅度条的长度，可以直观地看到麦克风接收到的声波的强弱，如图2所示。由于是用微型麦克风接收干涉场的声波，因此对干涉场的探测可以看作是“点探测”。
“录音”功能
点击Cool Edit Pro软件窗口下方的“录音”按钮，缓慢移动接收声波的麦克风。
通过录制的声波波形中振幅的变化情况，可以清晰地看出麦克风接收到的声波强弱的变化情况，见图3。
实验研究
描绘声波干涉图像曲线
将底座带有磁铁的微型喇叭S1、S2吸附在铁质小白板上，在S1、S2发声的声场内，用底座带有磁铁的微型麦克风探测接收声波信号，再用Cool Edit Pro的电平表显示声波的强弱，将探测的声波“增强点”“减弱点”记录在白板上，绘制干涉增强线和干涉减弱线，即可得到干涉图像的曲线。如图4所示。
验证波程差与波动增强、波动减弱的关系
当波程差△=S1P-S2P满足△=2kλ/2时，声波干涉加强，此时麦克风接收到的声音增强；而当△=（2k+1）λ/2时，声波干涉减弱，此时麦克风接收到的声音减弱。两式中k为正整数。
用刻度尺测量S1P、S2P的长度，代入波程差公式，即可对公式进行验证。
测量声波在空气中传播的速度
用波程差公式，结合对波程差的测量，计算出声波的波长λ；发声频率f为预先设定。根据波速公式可知：V=f·λ，就可以求出声波在空气中传播速度。
由于本实验采用的是电脑软件辅助实验，结合摄像头，可方便地将实验的过程、现象显示在屏幕上，从而实现“可视化”实验教学。本项目实验已经用于我校物理课堂教学，取得较好的教学效果。
该项目获得第31届全国青少年科技创新大赛科技辅导员创新成果科教制作类一等奖。
专家评语
该项目制作了虚实结合的智能电学实验板，选题内容新颖，概念清晰，对教学有重要的参考价值，具有很强的实用性。
目前，在高中物理教学中，“机械波干涉”实验只有一些定性演示实验，还没有定量测量实验。造成这一局面的主要原因一是没有频率可任意设定的正弦相干波源；二是缺少测量显示干涉场场点波动信号强弱的设备。本实验设计利用Cool Edit Pro软件，成功地解决了以上两个难题。
Cool Edit Pro是一款功能强大、效果出色的多轨录音和音频编辑处理软件，有许多功能可用于中学物理实验教学，本实验只将该软件的两个功能用于声波干涉实验，一是正弦式信号发生，二是声波电平检测。
用Cool Edit Pro软件能生成频率精确且数值可任意设定的正弦式音频信号，通过音频功率放大器推动2个微型扬声器，形成相干声源；用微型麦克风接收2个扬声器发声叠加场区的声波，再用Cool Edit Pro软件中的“电平显示”功能显示声音信号的强弱，就可以进行声波干涉实验定量测量研究。
实验原理
相干声源的产生
原理如图1所示。
从网上下载Cool Edit Pro软件，安装到电脑上，打开Cool Edit Pro软件，点击菜单栏“生成”→“音调”，然后在基础频率栏任意输入发声频率的数值，在调谐特性栏输入1，就能生成输出频率已知的正弦音频信号。产生的音频信号用音乐播放软件播放，從电脑声卡的音频输出插孔输出，再经音频功率放大器放大，推动扬声器S1、S2发声。S1、S2为同相并联，发声时能形成频率、相位、振幅都相同的相干声源。S1、S2为带有助声腔的φ10无源蜂鸣器，由于发声孔很小，因此S1、S2发声时可视为较理想的“点声源”。
干涉声场场点声强的检测
确定声波强弱的方法有2种。
录音电平
先用驻极体话筒制作一微型麦克风，将麦克风接入电脑声卡MIC插孔，打开Cool Edit Pro软件，在波形编辑界面下，点击菜单栏“选项”→“录音电平”，就可以打开用于监视录音电平的电平表，通过电平表幅度条的长度，可以直观地看到麦克风接收到的声波的强弱，如图2所示。由于是用微型麦克风接收干涉场的声波，因此对干涉场的探测可以看作是“点探测”。
“录音”功能
点击Cool Edit Pro软件窗口下方的“录音”按钮，缓慢移动接收声波的麦克风。
通过录制的声波波形中振幅的变化情况，可以清晰地看出麦克风接收到的声波强弱的变化情况，见图3。
实验研究
描绘声波干涉图像曲线
将底座带有磁铁的微型喇叭S1、S2吸附在铁质小白板上，在S1、S2发声的声场内，用底座带有磁铁的微型麦克风探测接收声波信号，再用Cool Edit Pro的电平表显示声波的强弱，将探测的声波“增强点”“减弱点”记录在白板上，绘制干涉增强线和干涉减弱线，即可得到干涉图像的曲线。如图4所示。
验证波程差与波动增强、波动减弱的关系
当波程差△=S1P-S2P满足△=2kλ/2时，声波干涉加强，此时麦克风接收到的声音增强；而当△=（2k+1）λ/2时，声波干涉减弱，此时麦克风接收到的声音减弱。两式中k为正整数。
用刻度尺测量S1P、S2P的长度，代入波程差公式，即可对公式进行验证。
测量声波在空气中传播的速度
用波程差公式，结合对波程差的测量，计算出声波的波长λ；发声频率f为预先设定。根据波速公式可知：V=f·λ，就可以求出声波在空气中传播速度。
由于本实验采用的是电脑软件辅助实验，结合摄像头，可方便地将实验的过程、现象显示在屏幕上，从而实现“可视化”实验教学。本项目实验已经用于我校物理课堂教学，取得较好的教学效果。
该项目获得第31届全国青少年科技创新大赛科技辅导员创新成果科教制作类一等奖。
专家评语
该项目制作了虚实结合的智能电学实验板，选题内容新颖，概念清晰，对教学有重要的参考价值，具有很强的实用性。