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彈簧波動實驗
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波動與聲音(第三冊第三章第一節)
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波的傳播與特性
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40分鐘
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科學學習中心
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一、 能透過實際觀察彈簧波,了解波動傳遞的特性。
二、 能透過實際動手產生彈簧波,了解波動的頻率、振幅、波長、波速等的意義。
三、 能透過實際動手產生彈簧波,了解波動的頻率、波長、波速之間的關係。
四、 能了解相同的介質及狀態,會有相同的波速。
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材料:塑膠彈簧x2(直徑4cm、高度7cm)、彩色標籤貼紙
工具:透明膠帶
- 時間 教學活動流程 教學資源
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5分鐘一、 生活連結與預測
1. 引起動機與生活連結:
(1) 有沒有試過,在一個平靜的池塘中,丟一個石頭,觀察池塘的水面會有 什麼變化呢?
(2) 承(1),若是池塘中有一片葉子,在葉子旁邊丟一個石頭,葉子會如何運動呢?
(3) 是否有看過棒球比賽的時候,觀眾跳起「波浪舞」時,場內的觀眾是如 何運動造成波浪舞的呢?
2. 舊課程回顧:
(1) 學生在國小的課程已了解:物體振動會產生聲音,聲音可以透過固體、液體、氣體傳播。
(2) 學生在國小的課程已了解:聲音有大小、高低與音色等不同性質,生活中聲音有樂音與噪音之分。 -
25分鐘二、操作與觀察
1.依據操作步驟安裝實驗裝置後進行實驗。
2.教學提示:
(1)在製造「橫波」的時候,詢問學生,在彈簧上的彩色標籤是如何運動的?
(2)在製造「縱波」的時候,詢問學生,在彈簧上的彩色標籤是如何運動的?
(3)詢問學生,彈簧在產生橫波或是縱波的時候,彈簧上的彩色標籤是否有跟著波動前進?(提醒學生,在製造橫波或是縱波的時候,手須以最初的平衡位置為中心,在特定路徑上來回擺盪,盡量不要有偏離路徑的不規則晃動或是中心偏離最初的平衡位置。)
(4)在製造「橫波」的時候,波動碰到固定端的手而產生回彈時,波動的振幅會如何變化(變大、變小或不變)?為什麼?
(5)在製造「橫波」的時候,波動碰到固定端的手而產生回彈時,波動振動的方向是否有變化(原本在平衡位置上方的波是否跑到平衡位置下方,或是維持在平衡位置上方)?也可以試試如果將固定端改成以一條長細線拉住而不固定,結果會不會相同?
(6)在製造「縱波」的時候,波動碰到固定端的手而產生回彈時,波動振動是否一直來回持續一段時間?為什麼會這樣?
(7)在製造「橫波」的時候,請學生嘗試產生不同數目的波峰。
(8)詢問學生,若是要產生數目較多的波峰,手應該如何振動?
(9)詢問學生,為什麼手的振動較快,產生波的數目就會比較多?波長會如何變化?如何解釋這個現象?
(10)詢問學生,如何使彈簧產生的波動振幅變大?
(11)詢問學生,若是在彈簧中產生較多波的數目,此時波動的振幅通常會比較大或是比較小?為什麼?兩者是否有一定的關係?
3.延伸探究:請先預測結果後,再進行實驗驗證。
(1)不同數量彈簧分別串聯接成兩條不同長度的彈簧後,將兩條彈簧並排,同時產生橫波,比較不同振幅或不同頻率時,波速是否有明顯不同?(可用肉眼觀察搭配手機慢速攝影)
(2)承(1),若使用不同粗細或材質的彈簧(長度要夠長),比較其波速是否有不同?
(3)多個彈簧串聯接起來後,產生不同振幅的波,觀察振幅大的波和振幅小的波,哪一種比較不容易消失?
連續甩動多個連接在一起的彈簧產生橫波的時候,觀察彈簧上的彩色標籤的振動,測量彩色標籤10秒鐘完整振動的次數f1,並測量此時的波長λ1,再使用同一條彈簧,改變不同的振動頻率,一樣測量彩色標籤10秒鐘完整振動的次數f2,並測量此時的波長λ2,比較兩次實驗的f1×λ1和f2×λ2有什麼關係? -
5分鐘三、 原理說明:
1. 波動是物質擾動後,向外傳播的現象。手持彈簧一端抖動彈簧時,能夠產生波動沿著彈簧傳播,稱為彈簧波。
2. 依照介質(彈簧)粒子振動方向和波動傳播方向間的關係,可以分為橫波、縱波及混合波。介質粒子振動方向和波動傳播方向垂直者稱為橫波(如繩波)、互相平行者稱為縱波(如空氣中的聲波)、二個分量兼具者稱為混合波。
3. 製造波動的手為波源,波動傳播能量,但不傳播物質。當波動通過時,介質粒子只會在原地附近來回移動,並不會隨波動而遠去。標示的彩色標籤能讓我們更清楚看到彈簧粒子的移動方式。
4. 若彈簧一端固定,手持彈簧另一端抖動彈簧時,傳到固定端的彈簧波會反彈回去,若持續製造波,這時在彈簧上看到的是入射及反射二道波動合在一起的結果,穩定的狀況下即稱為駐波。可以看到不振動的「節點」及節點之間振幅最大的波腹。(如圖,若週期=12)
5. 一維波動振幅變小的主要原因是能量耗損於摩擦、介質形變產生熱及反射點阻尼等,並非反射時振幅一定變小。多維波動傳遞時還有能量分散的原因使振幅變小。
6. 波速:波在介質中傳遞的速率、波前進的快慢。
波速的計算 波速=
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10分鐘四、問題與討論
1.彈簧在產生橫波或是縱波的時候,彈簧上的彩色標籤是否有跟著波動前進?
解答:波動傳播能量,但不傳播物質。當波動通過時,彩色標籤(代表介質粒子)只會在原地附近來回移動,並不會隨波動而前進。
2.若是要產生數目較多的波峰,手應該如何振動?
解答:手的振動頻率要加快
3.若是要產生振幅加大的波峰,手應該如何振動?
解答:手的振動幅度要加大
4.相同的彈簧,用不同頻率甩動,波速是否相同?
解答:不同介質會影響波速,相同的介質波速相同,所以若是相同的彈簧,不管頻率或是振幅有無不同,波速皆相同
5.同一條彈簧,用大小不同的振幅擺動,波的傳遞距離,是否有不同?
解答:波動的振幅大,能量也越大,波動在傳遞的時候,能量會漸漸散失掉,所以若是振幅較大的彈簧波,可以傳遞得越遠,能量才會完全消失掉。
6.連續甩動多個連接在一起的彈簧產生橫波的時候,觀察彈簧上的彩色標籤的振動,測量彩色標籤振動頻率f1,並測量此時的波長λ1,再使用同一條彈簧,改變不同的振動頻率,測量彩色標籤振動頻率f2,並測量此時的波長λ2,比較兩次實驗的f1×λ1和f2×λ2有什麼關係?
解答:同一條彈簧的波速相同,而波速v=頻率f x波長λ,所以若是頻率大,則波長短,頻率小,則波長大,頻率和波長的乘積為一定值。