用示波器演示行进的横波
横波是高中物理和普通物理机械波一章中的重要内容之一。本文介绍用示波器演示行进的横波，可配合讲解：横波的特点、波长位相的概念及其相互关系。
首先，用涂有较深颜色的透明胶片剪成三张圆片，其大小刚好与示波器荧光屏的大小相当。
用刻刀在这些圆片上刻出宽为1～2mm，高为50～60mm的窄缝(图1)，并要求第一张圆片上所刻的窄缝通过圆心(图1a)；第二张圆片上的两条窄缝彼此相距60mm，且对圆心对称(图1b)；在第三张圆片上所刻的三条窄缝中，一条通过圆心，另两条在它的两侧，且与之相距30mm。
在示波器的Y轴上输入正弦波电压信号，调整示波器，使荧光屏上出现稳定的正弦波形，2～3个周期即可，波形的垂直幅度应该略小于圆透明胶片上的窄缝的长度。然后，再缓慢减小示波器的水平同步，使荧光屏上出现从左往右缓慢移动的正弦波，用它来模拟行进的横波。
下面，让我们对这个模拟的横波进行研究。
横波的特点
把第一张圆胶片盖在荧光屏上，透过胶片在整个屏上可以看到一列行进的横波，同时，又可以在胶片的窄缝中突出地看到一个光点沿竖直方向上下运动。以此说明横波中的质点并不是沿着波的传播方向运动，而是在自己的平衡位置附近反复运动，其振动方向与波的传播方向垂直。
波长、位相的概念及其相互关系
把第二张圆胶片盖在荧光屏上，观察两个窄缝中光点的运动情况。调节示波器的水平扫描速度微调，使两条窄缝中的光点刚好同步运动(即同位相)。向学生说明：沿着波的传播方向实现同位相振动的相邻点间的距离，就是波长(图2)。
保持荧光屏上的波形不变，把第三张圆胶片盖在荧光屏上，将看到在胶片两侧的窄缝中光点仍进行同位相振动，而在中间的窄缝中，光点的振动与它们的位相相反。因此可以得出结论：彼此相差半个波长(或半波长的奇数倍)的点，振动位相相反。
为了得到较好的演示效果，应该注意以下几点：(1)选用胶片的透明度要好，所涂的颜色以深色为宜。这样，透过胶片看到的图像才清晰，而且背景图像与窄缝中光点的对比度较大，使光点突出；(2)在胶片上刻出的窄缝不要过宽或过窄，一般应与荧光屏上已经聚焦好的扫描线的宽度相当；(3)在进行调节水平同步微调时，一定要仔细、耐心，以使荧光屏上模拟的横波缓慢移动，便于观察和研究；(4)如果示波器的荧光屏是方形的，透明胶片就按屏的大小也剪成方形的。
水波干涉和衍射的实验
干涉和衍射是波的共同特征。托马斯·扬通过干涉而证实了光的波动性。因此在机械振动和机械波教学中做好干涉和衍射实验，除了能加深学生对上述现象的认识外，还能为学习光的本性奠定坚实的基础。
机械波的干涉和衍射实验是一个难做的实验，以往我们都采用较大的发波水槽［一般为（50×50）cm2］和通过敲击簧片在天花板上投影水波的方法演示。但发现有如下问题：
(1)现象极不明显，得到的图像不稳定，难于与课本插图对上号，用学生的话来说是“看不出名堂”。到时只好通过教师反复强调“说明”。只有这样才能勉勉强强将两者“凑合”拢来。
(2)由于阻尼，振动器簧片要靠不断敲击来维持振动。造成振幅时大时小，所示图像极不稳定，同时还不便于操作。
(3)要在暗室中进行，无暗室或暗室遮光不严的情况下更难于进行演示。
针对上述问题进行了如下改进：
(1)改大型为小型：
用有机玻璃制成（10×10×2）cm3的透明水槽，为防止水波反射，水槽周边贴上一圈薄海绵。
(2)改“低振”为“高振”
原振动器振动频率过低，影响演示效果。可将电磁打点计时器进行改装(频率为50赫)，具体方法是：将打点器从原底座上取下，装入一个（6×3×2）cm3的小盒中，在振动片上焊一小段金属杆，杆上再套一小胶管，作为插入振子触头之用。振子触头用大头针弯成，如图4。将水槽和振动器固定在一小块（11×19）cm2的胶合板上，胶合板上固定水槽的地方应切割出与水槽大小相应的孔隙。
(3)改暗室为暗箱：
暗箱为薄木板制成，尺寸为（25×20×12）cm3，分上下两部分，中间用铰链相连，上部为箱盖，盖上有一活动抽板，箱盖下7cm处固定一块毛玻璃片。下部底板上正对水槽处安装一只6～8V的小灯泡，底板上方8cm处箱壁两侧钉上小木条，以便搁置水槽胶合板之用(胶合板不要钉死在木条上，便于取出)。
进行演示时，在水槽内倒入适量清水，水面刚好与振子触发头接触为好，演示干涉现象时在振动片上胶管内插入双触发头，拉开暗箱盖上活动抽板，接通灯泡及振动器电源，此时在暗箱的毛玻璃片上可观察到明显的干涉图像(不需在暗室中进行)。如在暗室中的毛玻璃片上放上像纸，可直接得到干涉图像的图片。
换上平触发头，并在水槽中设置挡板，调整板间缝隙宽度，于毛玻璃片上能观察到衍射图像。
将暗箱盖揭开，可将干涉衍射图像投影于天花板上。
将幻灯机聚光镜取下再把固定水槽和振动器的胶合板从暗箱中取出放置在这一位置上，通过幻灯可在屏幕上看到干涉和衍射图像，此实验只要教室光线稍暗就行了，不一定在暗室中去做。
两个声学实验的改进
声波的干涉
实验装置如图7。音叉发出的声音通过灵敏度较高的话筒，从收录机(收录机要用好点的，噪声小)的话筒插口输入；再从收录机的线路输出孔取出信号接示波器，或将示波器与收录机喇叭并联。
实验方法敲击音叉发声，旋转离心转台，就能从收录机里清晰地听到音叉声忽强忽弱，同时从示波器可看到声波的波幅大小随声音强弱交替变化。
声音的共鸣
实验装置先用一根屏蔽线，一端与压电陶瓷片连接，另一端接一个与收录机话筒输入插孔同型号的插头，见图8。由于音叉(音叉A、B是一对共振音叉)产生的共鸣声较弱，若用话筒作为声音接收装置效果不太好，故采用压电陶瓷片(HTD27A-1)，利用其压电效应将共鸣声通过收录机放大，以达到实验目的。
实验方法将图8所示的压电陶瓷片用橡胶泥粘在音叉B的叉股上，再把插头插入收录机的话筒输入孔，从收录机的线路输出端取出信号至示波器。现在，只要敲击音叉A，从收录机里就能听到音叉的响声，用手按住被敲音叉，响声并不停止，从而证明音叉A的声波振动使音叉B产生了共鸣。同时从示波器里可看到声波的波形。若改变音叉B的固有频率(可在音叉的叉部顶端粘一块橡皮泥)，再重复上面的实验，此时便听不到共鸣声，这就进一步证明收录机的响声是音叉A、B产生的声波共振现象的结果。
空气柱共鸣实验的改进
教材中空气柱共鸣演示装置有以下不足之处：
(1)所需粗而高的玻璃容器和长玻璃管不易找到，若玻璃管较短，演示时只能听到一次共鸣声，只说明空气柱的最短长度等于声波波长的l/4，不能演示大于l/4波长的空气柱发生的共鸣现象。
(2)演示时，需用手持长玻璃管、音叉和音锤，还要记录结果，一个人无法完成。
(3)音叉发声时，声音较小，后排学生难以听到，且声音逐渐减弱，演示时共鸣位置还未准确找到，音叉声音就已变得很弱，甚至听不到了。
为克服以上不足之处，我们自制了“空气柱共鸣演示器”，在教学中取得良好的效果。
制作
(1)外筒用一块铁板做成一个直径为8cm、长90cm的带底圆筒，接口处焊牢(见图10)。在离上口20cm处开一个直径约0.8cm的圆孔，再用铁片做一个直径约0.8cm、边长2cm左右的直角弯管，一端插入外筒圆孔内焊牢，另一端插入一段长20cm、内径约0.8cm的透明塑料管，并用铁片或铁丝将塑料管上部与外筒固定，作为水位计，注意整个外筒(包括水位计)不得漏水。
(2)共鸣管。
用铁板做成直径约7.5cm、长90cm的两端开口的圆管，再用铁片剪成内圆φ7．5cm、外圆φ9cm的圆环，套在圆管上口1cm处并焊牢。再取一块宽1.5cm、长9cm的铁片，弯成U形，将扬声器(025W、φ6.5cm)的磁铁与圆管的上口内壁连接固定。注意扬声器要和管口对准，并留有1.5cm左右的距离，再取一块宽约2cm、长12cm左右的铁片，将圆管上口内壁与木制米尺(取90cm)刻度的背面用螺丝连接固定，注意米尺的零刻度要与圆管上口相平。
（3）音频电路电原理图如图12所示。非门F1、F2组成音频振荡电路，振荡频率由式f=0.455/RC决定。集成块为数字集成电路CD4069(或CC4069)，空闲不用的非门输入端要接地。安装时需用集成块管座，助焊剂最好用松香。功放集成块型号为μPCl212。为了实验和计算方便，本电路设有两个音频频率，即500Hz和1000Hz，用开关K2进行转换，K2在“l”档时为500Hz，在“2”档时为1000Hz。调试时可借助频率计或示波器较准确调试，也可用学生信号源的音频输出，比较声音高低进行调试，但准确度较低，电路中的R1、R2最好分别用15kΩ电阻与10kΩ可调电阻串联，调试时更方便，调试时先调1000Hz，再调500Hz。W为音量电位器，K1为电源的开关，电源为直流6V，用干电池或整流电源均可。
(4)组装用1cm厚的木板做一个长25cm、宽12cm、高10cm的底座(前面板可用三合板)，再将长105cm、宽12cm、厚1cm的木板与底座连接固定(见图13)。把外筒固定在竖直木板上，将共鸣管插入外筒，电路板装入底座内，指示灯、开关、电位器固定在面板上。注意接扬声器的导线应留有一定长度，以不影响共鸣管升高为宜。
实验
(1)拔出共鸣管，往外筒内注水，观察水位计的水位，以离上口5至10cm为宜。为使观看水位明显，可在水中加入红色或蓝色墨水。将共鸣管插入外筒。
(2)打开电源开关，扬声器发声，调节音量适度。
(3)选择某一频率，手持木制米尺并向上移动，共鸣管也随之上移，可听到第一次共鸣声。这时慢慢上下移动米尺，找到最强的共鸣声，记下此时空气柱长L1(即水位计液面所在米尺的刻度)。
(4)继续向上移动米尺，当听到第二次最强的共鸣声，记下空气柱的长度L2。
