“探究音调和频率的关系”创新实验3则

罗砚馨 熊 华

(1. 广东省深圳市龙岗区深圳中学龙岗初级中学，广东 深圳 518172； 2. 广东省深圳市龙岗区教育局教研室，广东 深圳 518172)

图1

“探究音调和频率的关系”在人教版8年级物理上册“声音的特性”一节中的演示实验．教材中选取钢尺作为实验器材,将一把钢尺紧按在桌面上,一端伸出桌边,如图1所示．拨动钢尺,听它振动发出的声音,同时注意钢尺振动的快慢．改变钢尺伸出桌边的长度,再次拨动钢尺,比较两种情况下钢尺振动的快慢和发声的音调．

该实验选取的钢尺简单易得,但是实验现象存在“听不见”、“看不清”、“辨不明”的问题．钢尺不是常见的发声物体,拨动发出的声音低沉、小声,学生通常听不清楚;钢尺振动快慢的比较不容易分辨．此实验作为演示实验,学生难以观察清楚并得出准确结论,器材简陋不具有吸引力,因此效果并不理想．

教材上处于更好了解物体振动发声情况的目的,编排了示波器实验,如图2所示,把不同音叉发出的声音信号输入示波器,观察和分析声音的波形有何不同．由于初二学生对示波器很陌生,难以理解声音如何转变为波形,易搞混声音特性与波形特性的关系,该实验没有促进学生了解,反而为教学增设了难度．

针对以上不足,笔者设计了3则关于“探究音调和频率的关系”的创新实验．

图2

1 自制“机械示波器”,可视化比较频率高低

1.1 自制实验装置“声音的机械示波器”

(1) 实验原理及装置设计图.

装置设计图如图3．该实验运用了放大法和转换法——用光来放大音叉的振动,将观察音叉振动转换为观察光的运动轨迹．

图3

这套装置主要分为3大部分,两个频率不同的音叉且叉股上贴了小平面镜,一个可以电动旋转且转速可控的八面棱柱体(8面都贴了平面镜),两只颜色不同的激光笔．激光笔的光射向音叉,音叉的平面镜使光反射到棱柱上,棱柱的平面镜又使光反射到墙上．敲打音叉,音叉的振动会让光斑上下运动;八棱柱旋转,会让光斑左右运动．两个振动叠加,就会形成光斑的正弦运动,形成一道波．

(2) 装置制作方法.

准备256 Hz及512 Hz的音叉,在叉股上贴上超薄的镜片(如图4);用3D打印技术打印一个直径为8 cm左右,高为6 cm的八棱柱,中心留一直径为1 cm的孔;裁8片尺寸一致的镜片贴在八棱柱的8个侧面;取一直径为1 cm,长8 cm的轴插入八棱柱的圆孔,八棱柱下方再串入一个齿轮(如图5);用亚克力板和铁棍组装装置台,将2个音叉固定于台上,音叉可转动方向;将八棱柱的轴穿过装置台预留的孔,再封上另一块有孔的亚克力板并固定好,使八棱柱可以直立旋转;在齿轮旁边安装一个带有吻合齿轮的马达,马达连接电池盒和变速装置;取两只颜色不同的激光笔,用夹子加在装置台两根铁棍上,使激光笔可以调整方向．装置实物图如图6．

图4

图6

1.2 实验操作及现象

实验过程中,用红色激光射向512 Hz的小音叉,绿色激光射向256 Hz的大音叉,分别敲打两个音叉,在听到音叉发出的声音的同时,可以观察到一红一绿的波形(如图7和图8),两道波形的疏密程度对比非常明显,红色更密说明音叉振动更快,绿色更疏说明音叉振动更慢．学生通过对比波形疏密,可以比较两次振动的频率．

图7

图8

1.3 教学效果

该实验将频率高低转换为光波的疏密,直观可视,解决了教材实验中不易分辨振动快慢的难题,学生容易观察、记录和分析．音叉是常见的发声物体,声音持久稳定,学生能准确分辨不同音叉声音的音调高低．此装置投射的光波和声音的波形相似,巧妙地构建了声音、振动、波形三者之间的联系,有助于学生理解声音波形这一难点．在课堂上进行实验,波形非常稳定,同时具有视觉冲击力,激发他们的学习兴趣和探究欲望．

2 由电扇改造的发音齿轮,实现看清振动、听准音调

2.1 自制实验装置

图9

准备一台风扇,摘下其保护网、扇叶,用游标卡尺测出转轴的直径;用薄的亚克力板(或其他硬质材料)制作齿轮,裁一个直径为40 cm左右的圆,边缘做成锯齿状,中心留出可插入转轴的孔;将做好的齿轮装入转轴中,在齿轮板前用胶带缠绕多圈,直至齿轮板不松动摇晃;用彩色贴纸装饰齿轮,可以让学生看清转动时速度变化;准备一张材质合适的硬卡片,将其深入转动的齿轮时可以发出清脆声音．笔者自制的装置实物图如图9．

2.2 实验操作及现象

打开开关,齿轮刮硬卡片的

声音响亮而稳定,调大档位,学生可以直观看到齿轮转动变快,硬纸片发出的声音变高,关闭开关,齿轮由于惯性继续转动一段时间,转速变慢,硬纸片发出的音调越来越低．

2.3 教学效果

该实验装置来源于生活,因此学生熟悉电扇的转速变化,更容易理解“频率”概念;用发音齿轮代替扇叶可以使其发声更响亮,便于学生分辨音调变化．在课堂上演示实验,学生能“看清”振动、“听准”音调,因此能准确理解和掌握音调和频率的关系．器材原材料主要是电扇、亚克力板,制作容易,操作简单,具有推广价值．

3 乐器和pad齐上阵,自主设计来探究

3.1 实验方法及器材

学生自带乐器、手机或pad等器材来探究“音调和频率的关系”,乐器包括吉他、管乐、电子琴等,用多种方法比较频率,例如用手机或pad上的慢镜头拍摄两根弦的同时振动,放慢数倍后学生很容易比较振动快慢;再如用手机或pad上的示波器APP(例如FreqCounter APP、Oscillo APP等)来显示声音的波形,比较波形的疏密可知频率的高低．

3.2 实验过程及现象

学生在课前根据实验目的设计探究实验,提前准备器材,在课堂上分工合作,操作、观察、记录及分析,最后生成实验结论及相关规律．

3.3 教学效果

用开放性的探究实验代替演示实验,为学生创造思维发散的空间,让学生多思考、多动脑、多角度分析、多渠道信息交流,学生真正参与到物理学习中,体验到物理学习的乐趣,从而自觉激发创新思维．课堂上学生像科学家一样去思考,像艺术家一样去演奏,“嘈嘈切切错杂弹,大珠小珠落玉盘”,营造了有生气有活力的课堂气氛,更好地调动了学生的学习热情探究欲望．