“探究音調和頻率的關系”創(chuàng)新實驗3則

羅硯馨 熊 華

(1. 廣東省深圳市龍崗區(qū)深圳中學龍崗初級中學，廣東 深圳 518172； 2. 廣東省深圳市龍崗區(qū)教育局教研室，廣東 深圳 518172)

圖1

“探究音調和頻率的關系”在人教版8年級物理上冊“聲音的特性”一節(jié)中的演示實驗．教材中選取鋼尺作為實驗器材,將一把鋼尺緊按在桌面上,一端伸出桌邊,如圖1所示．撥動鋼尺,聽它振動發(fā)出的聲音,同時注意鋼尺振動的快慢．改變鋼尺伸出桌邊的長度,再次撥動鋼尺,比較兩種情況下鋼尺振動的快慢和發(fā)聲的音調．

該實驗選取的鋼尺簡單易得,但是實驗現象存在“聽不見”、“看不清”、“辨不明”的問題．鋼尺不是常見的發(fā)聲物體,撥動發(fā)出的聲音低沉、小聲,學生通常聽不清楚;鋼尺振動快慢的比較不容易分辨．此實驗作為演示實驗,學生難以觀察清楚并得出準確結論,器材簡陋不具有吸引力,因此效果并不理想．

教材上處于更好了解物體振動發(fā)聲情況的目的,編排了示波器實驗,如圖2所示,把不同音叉發(fā)出的聲音信號輸入示波器,觀察和分析聲音的波形有何不同．由于初二學生對示波器很陌生,難以理解聲音如何轉變?yōu)椴ㄐ?易搞混聲音特性與波形特性的關系,該實驗沒有促進學生了解,反而為教學增設了難度．

針對以上不足,筆者設計了3則關于“探究音調和頻率的關系”的創(chuàng)新實驗．

圖2

1 自制“機械示波器”,可視化比較頻率高低

1.1 自制實驗裝置“聲音的機械示波器”

(1) 實驗原理及裝置設計圖.

裝置設計圖如圖3．該實驗運用了放大法和轉換法——用光來放大音叉的振動,將觀察音叉振動轉換為觀察光的運動軌跡．

圖3

這套裝置主要分為3大部分,兩個頻率不同的音叉且叉股上貼了小平面鏡,一個可以電動旋轉且轉速可控的八面棱柱體(8面都貼了平面鏡),兩只顏色不同的激光筆．激光筆的光射向音叉,音叉的平面鏡使光反射到棱柱上,棱柱的平面鏡又使光反射到墻上．敲打音叉,音叉的振動會讓光斑上下運動;八棱柱旋轉,會讓光斑左右運動．兩個振動疊加,就會形成光斑的正弦運動,形成一道波．

(2) 裝置制作方法.

準備256 Hz及512 Hz的音叉,在叉股上貼上超薄的鏡片(如圖4);用3D打印技術打印一個直徑為8 cm左右,高為6 cm的八棱柱,中心留一直徑為1 cm的孔;裁8片尺寸一致的鏡片貼在八棱柱的8個側面;取一直徑為1 cm,長8 cm的軸插入八棱柱的圓孔,八棱柱下方再串入一個齒輪(如圖5);用亞克力板和鐵棍組裝裝置臺,將2個音叉固定于臺上,音叉可轉動方向;將八棱柱的軸穿過裝置臺預留的孔,再封上另一塊有孔的亞克力板并固定好,使八棱柱可以直立旋轉;在齒輪旁邊安裝一個帶有吻合齒輪的馬達,馬達連接電池盒和變速裝置;取兩只顏色不同的激光筆,用夾子加在裝置臺兩根鐵棍上,使激光筆可以調整方向．裝置實物圖如圖6．

圖4

圖6

1.2 實驗操作及現象

實驗過程中,用紅色激光射向512 Hz的小音叉,綠色激光射向256 Hz的大音叉,分別敲打兩個音叉,在聽到音叉發(fā)出的聲音的同時,可以觀察到一紅一綠的波形(如圖7和圖8),兩道波形的疏密程度對比非常明顯,紅色更密說明音叉振動更快,綠色更疏說明音叉振動更慢．學生通過對比波形疏密,可以比較兩次振動的頻率．

圖7

圖8

1.3 教學效果

該實驗將頻率高低轉換為光波的疏密,直觀可視,解決了教材實驗中不易分辨振動快慢的難題,學生容易觀察、記錄和分析．音叉是常見的發(fā)聲物體,聲音持久穩(wěn)定,學生能準確分辨不同音叉聲音的音調高低．此裝置投射的光波和聲音的波形相似,巧妙地構建了聲音、振動、波形三者之間的聯(lián)系,有助于學生理解聲音波形這一難點．在課堂上進行實驗,波形非常穩(wěn)定,同時具有視覺沖擊力,激發(fā)他們的學習興趣和探究欲望．

2 由電扇改造的發(fā)音齒輪,實現看清振動、聽準音調

2.1 自制實驗裝置

圖9

準備一臺風扇,摘下其保護網、扇葉,用游標卡尺測出轉軸的直徑;用薄的亞克力板(或其他硬質材料)制作齒輪,裁一個直徑為40 cm左右的圓,邊緣做成鋸齒狀,中心留出可插入轉軸的孔;將做好的齒輪裝入轉軸中,在齒輪板前用膠帶纏繞多圈,直至齒輪板不松動搖晃;用彩色貼紙裝飾齒輪,可以讓學生看清轉動時速度變化;準備一張材質合適的硬卡片,將其深入轉動的齒輪時可以發(fā)出清脆聲音．筆者自制的裝置實物圖如圖9．

2.2 實驗操作及現象

打開開關,齒輪刮硬卡片的

聲音響亮而穩(wěn)定,調大檔位,學生可以直觀看到齒輪轉動變快,硬紙片發(fā)出的聲音變高,關閉開關,齒輪由于慣性繼續(xù)轉動一段時間,轉速變慢,硬紙片發(fā)出的音調越來越低．

2.3 教學效果

該實驗裝置來源于生活,因此學生熟悉電扇的轉速變化,更容易理解“頻率”概念;用發(fā)音齒輪代替扇葉可以使其發(fā)聲更響亮,便于學生分辨音調變化．在課堂上演示實驗,學生能“看清”振動、“聽準”音調,因此能準確理解和掌握音調和頻率的關系．器材原材料主要是電扇、亞克力板,制作容易,操作簡單,具有推廣價值．

3 樂器和pad齊上陣,自主設計來探究

3.1 實驗方法及器材

學生自帶樂器、手機或pad等器材來探究“音調和頻率的關系”,樂器包括吉他、管樂、電子琴等,用多種方法比較頻率,例如用手機或pad上的慢鏡頭拍攝兩根弦的同時振動,放慢數倍后學生很容易比較振動快慢;再如用手機或pad上的示波器APP(例如FreqCounter APP、Oscillo APP等)來顯示聲音的波形,比較波形的疏密可知頻率的高低．

3.2 實驗過程及現象

學生在課前根據實驗目的設計探究實驗,提前準備器材,在課堂上分工合作,操作、觀察、記錄及分析,最后生成實驗結論及相關規(guī)律．

3.3 教學效果

用開放性的探究實驗代替演示實驗,為學生創(chuàng)造思維發(fā)散的空間,讓學生多思考、多動腦、多角度分析、多渠道信息交流,學生真正參與到物理學習中,體驗到物理學習的樂趣,從而自覺激發(fā)創(chuàng)新思維．課堂上學生像科學家一樣去思考,像藝術家一樣去演奏,“嘈嘈切切錯雜彈,大珠小珠落玉盤”,營造了有生氣有活力的課堂氣氛,更好地調動了學生的學習熱情探究欲望．