DIS系统在初中物理声学中的应用

李丰利 王成武

摘要： 安装有Phyphox软件的智能手机本质上就是一个DIS系统，把多种传感器、数据采集器和应用软件集成一体。通过智能手机的测量发现，声音的音调是由声源性质决定的，与外力无关，外力决定了声源振动的幅度。传统声学实验更多依靠眼耳的观察、感觉，并不可靠。相互比较，基于传感器技术的数字化技术在声学实验有很大应用价值，数字化技术与传统实验的融合是未来课堂物理实验教学的趋势。

关键词： Phyphox APP  智能手机  DIS系统  比较  融合

Phyphox（physical phone experiments）是由德国亚琛工业大学第二物理研究所开发的一款免费支持Android及ios系统的基于智能手机内置传感器的物理实验软件，可通过移动端控制并以多种常用格式导出数据或计算机远程控制。Phyphox利用手机自带的传感器采集数据，并借助手机的运算功能处理数据，最后以图像、表格等形式显示数据。所以，安装有Phyphox软件的手机实质上就是一个DIS系统。本文基于智能手机软件Phyphox的声学部分进行初中物理“声音的特性”实验的相关 研究 。

一、传统实验存在的问题

传统声学实验主要是通过眼、耳等去看和听，例如：初中物理教材中的实验，将一把钢制刻度尺的一端伸出桌面一定的距离，将另一端紧紧按压在桌面上，拨动钢尺的一端，使它振动发声，观察钢尺振动的快慢情况，聆听声音的高低；然后改变钢尺伸出桌面的長度，用同样大小的力去拨动钢尺一端，再次观察钢尺振动的快慢情况，同时聆听声音的高低变化；多次改变钢尺伸出桌面的长度，重复上述操作。在整个实验的过程中，钢尺振动速度都是比较快的，人眼是很难看清楚的。另外，学生在声学的学习中，经常遇到水瓶琴的问题，物体的振动人眼根本看不见。因此，传统物理声学实验中，更多是依靠感觉，非常不可靠。

针对传统实验的问题，我们可以借助传感器技术，实时、准确、形象地显示各种声音。下面笔者基于智能手机应用数字化技术测量音调和响度，以说明该技术在物理声学实验中的应用价值。

二、数字化实验

（一）实验过程

实验一：敲击音叉

1.实验装置

音叉：标称值为256赫兹、512赫兹各一支。

2.实验步骤

（1）点击软件中的“声音频谱”，点击开始标志。用小一点的力敲击标称值为256赫兹的音叉，点击结束标志，记录峰值频率和振幅（相对值）。

（2）再点击开始标志，用大一点的力敲击标称值为256赫兹的音叉，点击结束标志，记录峰值频率和振幅（相对值）。

（3）再点击开始标志，用小一点的力敲击标称值为512赫兹的音叉，点击结束标志，记录峰值频率和振幅（相对值）。

（4）再点击开始标志，用大一点的力敲击标称值为512赫兹的音叉，点击结束标志，记录峰值频率和振幅（相对值）。

3.实验数据

实验二：宽钢尺的振动

1.实验装置

较宽钢尺

2.实验步骤

（1）点击软件中的“声音频谱”，点击开始标志。将宽钢尺紧压在桌面上，尺的一端伸出桌面5厘米，用小一点的力拨动，发出声音，点击结束标志，记录峰值频率和振幅（相对值）。

（2）将宽钢尺紧压在桌面上，尺的一端伸出桌面5厘米，用大一点的力拨动，发出声音，点击结束标志，记录峰值频率和振幅（相对值）。

（3）将宽钢尺紧压在桌面上，尺的一端伸出桌面10厘米，用小一点的力拨动，发出声音，点击结束标志，记录峰值频率和振幅（相对值）。

（4）将宽钢尺紧压在桌面上，尺的一端伸出桌面10厘米，用大一点的力拨动，发出声音，点击结束标志，记录峰值频率和振幅（相对值）。

（5）将宽钢尺紧压在桌面上，尺的一端伸出桌面15厘米，用小一点的力拨动，发出声音，点击结束标志，记录峰值频率和振幅（相对值）。

（6）将宽钢尺紧压在桌面上，尺的一端伸出桌面15厘米，用大一点的力拨动，发出声音，点击结束标志，记录峰值频率和振幅（相对值）。

3.实验结果

实验三：窄钢尺的振动

1.实验装置

较窄钢尺

2.实验步骤

如实验二。

3.实验数据

实验四：玻璃瓶的振动（敲击方式）

1.实验装置

三个同样的分别装有5厘米、10厘米、15厘米深的水的玻璃瓶橡胶锤

2.实验步骤

（1）点击软件中的“声音频谱”，点击开始标志。用橡胶锤对着盛有深5厘米水的玻璃瓶，用小一点的力敲击，发出声音，点击结束标志，记录峰值频率和振幅（相对值）。

（2）点击开始标志，用橡胶锤对着盛有深5厘米水的玻璃瓶，用大一点的力敲击，发出声音，点击结束标志，记录峰值频率和振幅（相对值）。

（3）点击开始标志，用橡胶锤对着盛有深10厘米水的玻璃瓶，用小一点的力敲击，发出声音，点击结束标志，记录峰值频率和振幅（相对值）。

（4）点击开始标志，用橡胶锤对着盛有深10厘米水的玻璃瓶，用大一点的力敲击，发出声音，点击结束标志，记录峰值频率和振幅（相对值）。

（5）点击开始标志，用橡胶锤对着盛有深15厘米水的玻璃瓶，用小一点的力敲击，发出声音，点击结束标志，记录峰值频率和振幅（相对值）。

（6）点击开始标志，用橡胶锤对着盛有深15厘米水的玻璃瓶，用小一点的力敲击，发出声音，点击结束标志，记录峰值频率和振幅（相对值）。

（7）实验结果

实验五：空气柱的振动（吹气方式）

1.实验装置

三个同样的分别装有5厘米、10厘米、15厘米深的水的玻璃瓶。

2.实验步骤

（1）点击软件中的“声音频谱”，点击开始标志。用嘴对着盛有深5厘米水的瓶口，用小一点的力吹气，发出声音，点击结束标志，记录峰值频率和振幅（相对值）。

（2）点击开始标志，用嘴对着盛有深5厘米水的瓶口，用大一点的力吹气，发出声音，点击结束标志，记录峰值频率和振幅（相对值）。

（3）点击开始标志。用嘴对着盛有深10厘米水的瓶口，用小一点的力吹气，发出声音，点击结束标志，记录峰值频率和振幅（相对值）。

（4）点击开始标志。用嘴对着盛有深10厘米水的瓶口，用大一点的力吹气，发出声音，点击结束标志，记录峰值频率和振幅（相对值）。

（5）点击开始标志。用嘴对着盛有深15厘米水的瓶口，用小一点的力吹气，发出声音，点击结束标志，记录峰值频率和振幅（相对值）。

（6）点击开始标志。用嘴对着盛有深15厘米水的瓶口，用大一点的力吹气，发出声音，点击结束标志，记录峰值频率和振幅（相对值）。

3.實验结果

（二）实验说明

1.本实验中的数据，采集自“声音频谱”中的“原始数据”和“加速度频谱”，数据采集周期为0.04秒，样本数2048个。

2.发生力量分为“小的力”和“大的力”，由于力的大小无法测量，只能采用这种主观的表达方式；但可以肯定的是“大的力”比“小的力”明显要大。这个力是瞬时的，不是连续的、周期性的，这个力也不可以超过物体弹性形变所能承受的最大值。

3.本实验数据中的“频率”精确到个位，“相对振幅”的大小依据软件中波形的波动幅度显示。

4.在实验二中钢尺伸出桌面5厘米时，由于伸出桌面长度太短，弹拨时可能会出现钢尺与桌面发生碰撞情况，从而产生较大误差。

（三）实验结论

通过实验一，可以得出Phyphox软件测量是比较准确的，确保了后续实验结果的可靠性。音叉的频率与敲击的力量无关。

通过实验二、三，可以得出钢尺振动频率与弹拨的力量无关，与伸出桌面的长度有关，伸出的长度越长，振动频率越低；振动频率还与钢尺的宽度有 关系 。

通过实验三，可以得出玻璃瓶振动频率与敲击力量无关，与水柱的高度有关，水柱越高，振动频率越低。

通过实验四，可以得出玻璃瓶振动频率与吹气力量无关，与空气柱的长度有关，空气柱越长，振动频率越低。

结合以上实验结果发现，声音的大小（振幅）是由外力决定的，力量越大，声源振动幅度越大，发出的声音越响；声音的频率是由声源自身的特征决定的，如长度、质量等，与外力大小无关。可以看出，特征属性越大，如长度越长，质量越大等，频率就越小。

同样从软件中显示的波形图像可以明显看出，音色与材料、发声方式、发声位置、发声力量等有关。

三、数字化实验与传统实验的比较

传统声学实验中往往以眼耳去看去听的方式探究声音的音调、响度、音色三大特性。从培养学生核心素养的角度来看，明显是不够的。有些教师利用示波器来探究影响声音的因素。然而示波器自身体积庞大、质量较重，图像的解读初中学生不容易理解。倘若采用智能手机中的DIS系统来探究声音的特性，只需要携带一部装有“Phyphox”App的智能手机。同时，相对于传统实验极大地提高了测量的准确性和结论的可靠性。相对于数字化实验的其他平台，智能手机除了具有灵敏度高、操作简单等共性外，智能手机自带多种传感器，体积小便携带、功能多样等特有的特点。

基于传感器技术的数字化技术很大地拓宽了初中物理实验路径，不但可以半定量、定量地研究问题，还可以适当拓展，如：可以借助智能手机测量钢尺的振动频率与其伸出桌面长度的关系、玻璃瓶的振动频率与水深的关系、空气柱的振动频率与空气柱长度的关系等。将DIS系统作为一种新的实验工具用于物理实验教学，具有可行性，同时能有效地吸引学生注意力，提高学生的学习兴趣，提升课堂教学效率。

参考文献：

[1]洪叶，高雷.基于智能手机软件Ｐｈｙｐｈｏｘ在中学物理实验应用的研究———以“声音的特性”为例[J].物理教师，2022，43（1）：70[CD*2]72，76.

[2]黄永杭.关于钢尺振动频率的研究[J].物理通报，2020，5：93[CD*2]95.

责任编辑：黄大灿