利用智能手机演示声波的相关实验

刘银奎

(乐清市第二中学,浙江 乐清 325600)

随着技术的高速发展，各种传感器被不断地微型化，使得手机能够集成各种高精度、高灵敏度的传感器，如：光强度传感器、加速度传感器、距离传感器、重力传感器、陀螺仪、温度传感器、压力传感器、声音传感器等. 手机已经不再是简单的通信工具，而是集各种功能于一身的便携式电子设备,智能手机作为实验教学的“新型”仪器应用于物理实验教学中，并且通过“希沃”同屏软件把手机屏幕上的内容投影至大屏幕上，可激发了学生的科学探究兴趣，落实了物理学科核心素养的培养，体现了“从生活走向物理”的新课程理念. 本文以物理学中3个与声波有关的演示实验为例，对智能手机在物理实验教学中的应用进行了有益的探索.

1 用智能手机定量演示多普勒效应

1.1 教材中演示实验存在的不足

教材中多普勒效应的演示实验[1]通过学生在区分蜂鸣器靠近(或远离)时声音的音调的变化，用耳朵作为测量的工具，主观性太强，学生很容易把声音的高低(响度)和音调的高低相混淆.

1.2 对原演示实验的改进

1.2.1 实验原理

让2部手机发生相对运动，利用智能手机的内置声音传感器测量接收到的声波频率，与相对静止时测得的声波频率进行比较，从而定量地演示声波的多普勒效应.

1.2.2 实验器材

智能手机2部，铁架台1套，塑料手机外套1个，细线4根.

1.2.3 实验操作(声源运动、观察者不动)

1)取2部智能手机，一部手机A做为“声源”，另一部手机B作为“观察者”，2部手机均下载安装“Phyphox”的APP软件，该软件中有播放特定频率的声波的功能(音频发生器)与测量某一声波的频率的功能(音频自相关). 如图1所示，让静止的“声源手机”A发出4 000 Hz的声波，让静止的“观察手机”B进行测量，测量结果为3 999.17 Hz.

2)在塑料手机外套的4个角上打孔，并系上4根细线，制成“四线摆”，然后把“声源手机”A放入外套内，打开“音频发生器”播放开关，发出4 000 Hz的声波，让“声源手机”A做大摆角的摆动(摆角在40°～45°)[2].

(a)

3)先主观感受声波的频率变化，再在“四线摆”最低点放置“观察手机”B，如图2(a)所示，当“声源手机”A远离“观察手机”B时，测得的频率为3 990.75 Hz，比4 000 Hz低了约10 Hz，如图2(b)所示[3]；当“声源手机”A靠近“观察手机”B时，测得的频率4 011.86 Hz，比4 000 Hz高了约11 Hz,如图2(c)所示. 实验中“观察手机”B始终通过“希沃”同屏软件把手机上测量的数据实时地投影至大屏幕上，观察测量频率不断变化，并可随时按下暂停键，显示某一次频率的测量结果.

(a)

2 用智能手机演示玻璃酒杯的共振现象

当外界声音的频率和酒杯的固有频率相等时，会使酒杯产生共振，即酒杯的侧壁发生强烈的振动，放在杯中的吸管产生强烈的跳动，该实验能明显地演示共振现象.

2.1 实验原理

利用智能手机中的“Phyphox”软件的“音频自相关”功能测出红酒杯发声的固有频率，然后利用“Phyphox”软件中的“音频发生器”功能发出与红酒杯固有频率相同的声波，并通过2个蓝牙小音箱放大声音，最终使红酒杯发生剧烈的共振.

2.2 实验器材

智能手机1部，高脚红酒杯1只(杯壁较薄，杯肚子大一些)，吸管1根，蓝牙小音箱(2只，功率为3 W)，鼠标垫1块.

2.3 实验操作

1)打开手机中的“Phyphox”软件，运行“音频自相关”，然后用铅笔敲击红酒杯口处，按开始按钮，测出红酒杯发出的声音的固有频率(约465.42 Hz)，如图3所示.

图3 测量酒杯的固有频率

2)把酒杯放在桌子的鼠标垫上，在杯内放入1根吸管，再把手机跟2只蓝牙音箱连接.

3)打开手机上的“Phyphox”软件，运行“音频发生器”，频率设为465.5 Hz，如图4所示. 点击播放按钮，2只小音箱播放声音，用手把2只音箱靠近酒杯杯口，如图5所示，发现杯中的小吸管在强烈的跳动，即酒杯发生了共振.

图4 发出与固有频率相近的声波

图5 共振演示装置

3 用智能手机演示弹簧纵波的驻波现象

驻波是波的特殊叠加现象，由振幅相同、频率相同、传播方向相反的2列简谐相干波叠加形成. 由于横波的驻波现象比较容易产生，演示的仪器也较多. 而纵波的驻波现象较难产生，演示纵波的驻波仪器也就比较稀少. 现在利用智能手机、电脑小音箱、轻弹簧就可以很方便地制作纵驻波演示仪，制作简单，操作方便，现象明显.

3.1 制作器材

智能手机1部，电脑小音箱1对，螺旋弹簧1根，铁架台1套，空矿泉水瓶1只(带有瓶盖)，百得胶1支.

3.2 制作过程

3.2.1 振源制作

把小音箱的面板盖打开，露出扬声器的纸盘，把矿泉水瓶的瓶口剪下，用百得胶粘在扬声器的纸盘上，如图6所示. 在手机上安装音频发生器APP. 该软件可发出频率可调的正弦声波，然后通过音频线接到小音箱上，使扬声器发声振动，纸盘振动，带动矿泉水瓶口振动.

图6 纵驻波发生演示装置

3.2.2 弹簧选取

取废旧的演示用的测力计，将螺旋弹簧取下作为波的传播介质. 在矿泉水瓶盖子上钻小孔，把弹簧的一端与盖子通过螺母与螺栓牢固连接，如图6所示.

3.2.3 仪器安装

把连接有弹簧的盖子旋紧在矿泉水瓶的瓶口上，然后把弹簧的另一端通过螺母与螺栓固定在铁架台的横梁上，使弹簧伸长至25 cm左右，并调整至竖直状态，如图6所示.

3.3 实验操作

1)打开手机音频发生器APP，选择正弦波，然后转动频率旋钮，调至30 Hz左右，如图7所示，此时可以看到螺旋弹簧在扬声器的纸盘带动下而上下振动，同时，当弹簧波碰到铁架台横梁时发生反射现象，反射波与入射波传播方向相反，振幅和频率都相同. 因此，入射波和反射波的叠加形成驻波.

2)调节频率旋钮，使声波频率增大(或减小)，观察弹簧的振动，当弹簧振动最剧烈时，再缓慢调整声波频率，当弹簧波上出现振动剧烈的波腹和几乎不振动的波节，即产生了驻波现象[4]. 如图8所示，且2个相邻的波节之间距离均相等，弹簧总长正好等于相邻波节间距(半波长)的整数倍. 此时手机上显示频率为21.1 Hz，弹簧波上共有2个半波长.

图7 音频发生器操作页面

图8 频率不同的弹簧驻波

3)继续旋转频率旋钮，使声波频率增大，当弹簧再次出现剧烈振动时，缓慢调整声波频率，此时弹簧波又出驻波现象，如图8所示，此时手机上显示频率为31.2 Hz，弹簧波上共有3个半波长.

4)当声波的频率调至42.3 Hz时，弹簧波上共有4个半波长；频率调至52.8 Hz时，弹簧波上共有5个半波长；频调率至63.2 Hz，弹簧波上共有6个半波长；调至73.8 Hz，弹簧波上共有7个半波长；调至84.5 Hz，弹簧波上共有8个半波长.

4 结束语

智能手机作为现代通信工具已经与生活密不可分，教师若能结合高中物理教学实际，借助Phyphox软件将智能手机应用到物理实验教学中去，既能激发学生的学习兴趣，又能引导学生合理使用手机，可谓一举两得.