声音的特性实验创新研究

刘 彬

(内蒙古自治区鄂尔多斯市东胜区培正中学，内蒙古 鄂尔多斯 017000)

1 引言

物理是以实验为基础的学科，学生通过观察和实验，在学习基本概念、基本规律的同时，更能提升科学思维和科学探究能力，养成科学态度与责任，而物理实验是培养学生核心素养的主要途径。

在声音的特性中，音调和响度都是较为抽象的概念，学生对它们的理解存在很大的困难，对声音的高低与声音的大小很难区分，单纯依靠教师的讲解和大量的做题，只能教会学生做题，难以认识声音特性的本质。笔者立足于培养学生的核心素养，既考虑学生掌握知识，又考虑培养学生的学习兴趣，从学生的好奇心入手，通过创新实验，充分调动学生学习的积极性，提高了教学效果。“声音特性的实验改进与创新研究”在内蒙古自治区实验说课比赛中荣获二等奖。

2 教材分析

声音的特性是人教版八年级物理上册《声现象》这一章的核心内容，学生在知道声音产生和传播的基础上，进一步探究声现象，音调与响度是本节教学的重点和难点。

为了探究音调与频率的关系，教材安排了两个演示实验：一是通过改变钢尺伸出桌面的长度来探究音调与物体振动快慢的关系，这个实验取材方便，同时调动学生的听觉和视觉，但作为演示实验，可视度欠佳；二是通过敲击不同频率的音叉，并将声音信号输入示波器，观察波形，分析它们的波形有何不同，该实验的优点是直观形象，能够激发学生的兴趣，但也存在不足，不是所有的学校都配备示波器，学生对示波器呈现波形的原理也不清楚，示波器呈现的波形可视度也比较小。

对于响度与振幅的关系，教材是利用转换法，将音叉的振动转换为乒乓球被弹开的幅度。我们知道，乒乓球的振动并不等同于音叉的振动。能否将音叉的振动实时反映出来，将抽象的声音的特性可视化？

3 实验改进与创新

3.1 实验的改进

学生对知识的理解少不了实验，教师的演示实验再精彩也替代不了学生亲自动手操作。中学生正处于对事物充满好奇和创新思维快速发展阶段，他们喜欢动手操作，在初中物理教学中，教师要尽可能开展实验活动，为学生提供展示自我的平台，使学生在实践中认识、理解物理知识。

虽然钢尺实验作为演示实验可视度较小，但不能因噎废食，如果将钢尺实验改为学生分组实验，让学生自己动手探究音调与频率、响度与振幅的关系，就可以解决可视度小的问题。需要注意的是，教师要引导学生掌握操作要领：在拨动钢尺时，一定要用手指按压住钢尺与桌面边缘接触的位置，这样避免钢尺拍击桌面发声而影响实验的效果；在探究响度与振幅的关系实验时，钢尺伸出桌面的长度不要过长，防止因频率过低而得不出正确结论。

3.2 演示实验教具创新

3.2.1 实验器材

256 Hz、512 Hz音叉各一个(音叉侧面贴有小镜片)，两把硬度完全相同的钢尺，两个塑胶球，红、绿激光笔各一支，电动机驱动旋转的四面镜。

3.2.2 实验原理及设计

实验原理如图1所示，用激光笔照射音叉上的小平面镜，然后再次反射到四面镜上，这时我们可以在屏幕上看见一个光点，敲击音叉，我们可以看见光点上下振动，这时再将四面镜旋转起来，可以看到相当于让光点产生了一种横向运动的效果，这样两种运动的叠加就看到了声音的波形。

图1

需要说明的是，将声音的声信号转变为光信号，本实验并非首创，从文献上就可以查到声音的特性教具和创新实验。首先，已有研究中实验用到八面镜，八面镜制作起来费时费力，非专业人员制作的装置很难达到预期的效果，本实验采用的是四面镜，制作工艺相对简单。其次，对于贴在音叉上的小平面镜尽量选择薄一点的，避免操作过程中波形衰减太快，不利于学生对实验现象的观察。再次，在已有文献中，对音调与频率的探究没有严格做到控制变量，虽然叙述两次用相同的力度敲击，但在实际操作过程中的力度很难做到一致，这不利于培养学生严谨的科学态度。其四，已有实验研究中没有同时出现两个不同音调的波形，不能对比不同音调声音的波形的差别。为了做到严格控制变量和同时对比波形图，笔者进行了创新设计，用两把硬度和外观完全相同的钢尺，上端固定橡胶球，将钢尺下端固定在共鸣箱上，且使钢尺直立的长度一致，敲击音叉时让两把钢尺弯曲相同的角度，就可以做到敲击两支音叉的力度相同，实物装置如图2。最后，选择电动机的转速不易过快也不易过慢，以每秒钟一转左右为宜，这样呈现的波形很清楚。

图2

3.2.3 实验操作

为了让学生区分不同频率的音叉，这里用到了两种不同颜色的激光笔。首先让学生聆听并辨别反射两种不同颜色光的音叉发出声音的音调高低。打开电动机电源驱动四面镜，用相同的力度再次敲击两支音叉，就会发现屏幕上反射出两种不同频率音叉发出声音的波形图，学生能够清晰地看出音调高的音叉发出声音的波形更加密集(图3)。

图3

对于响度与振幅的关系，可以这样探究，由于音叉振动的快慢实时反映在振动的波形上，我们可以敲击一下音叉就会看到音叉振动的情况，随着敲击力度的减弱，声音越来越弱，可以看见振幅越来越小，从而说明响度与振幅的关系。

4 教学设计

教师活动学生活动设计意图 1. 音调与频率引入:播放女高音和男低音的歌曲片段,听起来有何区别?追问:声音为何会有高低的区别?想想声音是如何产生的?接下来通过实验来探究音调与振动的关系。学生实验:分组进行钢尺实验,探究声音高低与振动快慢的关系。 倾听、思考后回答:声音高低不同。回答:声音是由声源的振动而产生。猜想声音与振动的关系。 让学生对声音高低的区别有感性认识。通过追问引发学生思考,温故知新。钢尺振动部分的长度钢尺振动的快慢声音的高低钢尺全长的1/4钢尺全长的1/2钢尺全长的3/4提出问题:(1) 钢尺伸出桌边的长短跟振动快慢有什么关系?(2) 声音高低跟振动快慢有什么关系?引入“频率”概念,讲解频率的概念、单位、物理意义。初步得出音调与频率有关的结论。假如声音能够“看得见”,那么它会是什么样子?不同音调的声音会有怎样的区别?接下来看看演示实验。简单介绍实验器材、实验原理。先敲击两个不同频率的音叉,引导学生观看屏幕上两个不同颜色的光点,请说出高低两个不同的音叉分别对应哪个颜色的激光笔。打开电动机开关,驱动四面镜旋转,用相同的力度敲击音叉。观看实验时请大家思考以下问题:(1) 如何比较两个声音音调的高低?(2) 两个声音波形有什么区别?(3) 波形是如何反映音调高低的?2 响度与振幅声音的大小与振动情况又有怎样的关系?请同学们动手实验,寻找答案。拨动钢尺的力度振动幅度声音大小较小力度较大力度实验过程中,仍然要将桌子边缘的钢尺部分压紧,控制变量,保证伸出桌边的长度不变。演示实验:探究响度与振幅的关系。提问:敲击音叉,你听到的声音有何变化?看到的波形有何变化?能得出什么结论? 按照要求进行分组实验,并思考问题。得出结论:钢尺伸出桌面的长度越长,钢尺振动的越慢,音调越低。提出猜想。将音调高的音叉与红色激光笔所发光束相对应,音调低的音叉与绿色激光笔所发光束相对应。观看实验,回答问题:音调高的波形密集,频率高;音调低的波形稀疏,频率低。按要求分组实验,初步感受到:振幅越大,响度越大;振幅越小,响度越小。回答问题:听到的声音越来越弱,看到波形的振幅越来越小。得出结论:声音的振幅越大,响度越大。 激发学生的好奇心。为探究音调的影响因素做铺垫。将看不见的声音转化为看得见的光迹,效果震撼。引领学生动手实验,探究响度与振幅的关系。

5 结语

实验教学是物理教学的重要组成部分，它可以帮助学生对物理知识进行验证，同时提高学生的科学思维能力。为使学生通过实验养成严谨的科学态度，教师在设计实验过程中必须严谨，不能敷衍了事。运用演示实验让学生明白：要观察什么？观察到的现象说明了什么问题？设计的追问以及问题链都要符合学生的认知特点。在学生分组实验中要让学生明确操作的要领，在教师的指导下放手让学生探究。