[发明专利]纵波的驻波生成及演示装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种教学仪器领域，尤其涉及一种纵波的驻波生成及演示装置。

背景技术

驻波是波的叠加中最简单、最基本的现象。当两个或多个波在同一地点相遇时，质点的位移是各个波动的位移之和，这就是波的叠加。当两列波的相位差为π时，叠加的形式为驻波，其最大振幅处称为波腹，最小振幅处称为波节。如果两列波的振幅相等，则波节振幅为零。

驻波的现象及形成是物理基础教学中要求学生必须掌握的知识，理解驻波的形成过程是后面学习波的叠加以及波的干涉的基础，所以理解和掌握驻波的知识是学习中重要的一个环节。虽然驻波是波的叠加中最简单、最基本的现象，也是生活中相当普遍的现象，但是人的感官往往很难完整、形象地感觉到这种现象，因而人们对驻波的感性认识并不深刻，所以对于学生来说，在教学中使用驻波演示装置是非常必要的。现有技术中，驻波的演示装置有许多，教学中的使用也相当普遍，如许多教学仪器厂生产的用喇叭作振源的可调频驻波演示装置；还有用偏心电机作振源的可调频演示器等。

横波和纵波均可通过反射形成驻波，横波产生的驻波很容易观察到，但是纵波产生的驻波很难通过仪器装置直观形象的观察。举个例子来说，一座桥梁，它所受到的不仅有风（横波）和其上面的车辆的影响，还有很多声音（纵波）或其他纵波的影响，我们要尽量使驻波中振幅最大的波腹点不要出现在桥梁上，或者出现在桥上相对比较牢固的地方，而使保持静止的波节出现在相对不太牢固的地方，从而充分延长桥梁的使用寿命。如果只用横波驻波的实验装置是不能模拟出声音（或其他纵波）对它的影响的。因此，研究纵波同样具有很大的实际意义。

声波是一种常见的纵波，因此可利用声波的反射、叠加来产生纵波的驻波。目前大学物理演示实验中，主要是利用昆特管来演示声驻波现象。昆特管主要由底座、扬声器、玻璃管、煤油构成。在实验中，低频信号发生器驱动扬声器向管内发射不同频率的声波，玻璃管的另一端成为波的反射面。当入射声波和反射声波满足一定关系时，相互叠加形成驻波。在驻波中，波节点附近的空气分子始终保持静止不动，波腹点附近的空气分子振幅最大，其他各点以不同的振幅振动。因此，波腹处空气的压强最小，煤油被吸起，形成喷泉；而波节点处煤油保持静止。

现有技术中的声驻波演示装置中，功能比较单一，只能通过煤油观察不同频率的声波产生驻波的现象，而且只能通过尺子粗略的测量出声速，会存在较大的误差。然而，在现实环境中，气体的湿度、温度和密度会经常发生变化，此时，现有的声驻波演示装置并不能对现实中产生什么实际意义，这也就很难在相关领域有所应用。

发明内容

本发明是鉴于上述技术问题而产生的。本发明的目的是提出一种纵波的驻波生成及演示装置，其能产生和模拟各种环境下多种纵波产生的驻波。此外，本发明的装置，还可以准确地计算出气体在不同条件下的传播速度。

本发明的实施例提供一种纵波的驻波生成及演示装置，包括主控制器、放大电路、扬声器、玻璃管、以及多个压力传感器；主控制器、放大电路、扬声器、玻璃管依次相连接；多个压力传感器位于玻璃管上部的不同位置，并且所述多个压力传感器与主控制器相连接；主控制器，用于控制放大电路产生声波；主控制器，还用于从所述多个压力传感器获取多个压力值，由此得到玻璃管中不同位置的气体压力数值；放大电路，用于产生声波，并输入到扬声器中；扬声器，用于将声波输入到玻璃管中；玻璃管中具有液体；当声波在玻璃管中传播时，会在玻璃管的另一端反射回来，与发出的声波相互叠加形成驻波；此时，不同位置的气体压强不一样，其中，波腹点处气体的压强最小，液体被吸起，而波节点处的液体则保持静止。

进一步地，在玻璃管上还安装有压力控制器；所述主控制器，还用于控制压力控制器和压力传感器来调节玻璃管中气体的密度。

进一步地，在玻璃管上还安装有温度传感器和温度控制器；所述主控制器，还用于控制温度传感器和温度控制器来调节玻璃管中气体的温度。

进一步地，在玻璃管上还安装有湿度传感器和湿度控制器；所述主控制器，还用于控制湿度传感器和湿度控制器来调节玻璃管中气体的湿度。

进一步地，所述装置还包括显示器；并且主控制器，还用于根据声波的波长λ以及频率ν计算出声音在当前气体中的传播速度u＝λν，并且将气体的湿度、温度、密度、以及计算出的声速通过显示器显示出来。

进一步地，主控制器，还用于按比例在显示器中显示出玻璃管中模拟的气体压强图。

进一步地，在本发明中，所述气体为空气，所述液体为煤油。