音樂盒的奧秘

郭絹如

(江蘇省蘇州工業(yè)園區(qū)第十中學(xué)初三6班，江蘇蘇州215021)

清脆地傳來一曲《致愛麗絲》，莫以為是哪位高手在彈琴，實(shí)際上是我扭了一下發(fā)條后，音樂盒在發(fā)聲呢.我就“音樂盒的發(fā)音原理”這一問題，利用學(xué)過的物理知識(shí)對(duì)它進(jìn)行了一番研究.

首先，聲音是怎么發(fā)出來的？自然是振動(dòng)發(fā)聲.那么是什么使什么元件振動(dòng)呢？來看拆卸后的圖片(如圖1)就知曉了.原來標(biāo)號(hào)為A的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，A上面的不同的小疙瘩使零件B的不同小彈片振動(dòng)從而發(fā)聲.然而，像《致愛麗絲》這種名曲，不可能只有一種音符，而且音差也很大，那么它是怎么使其發(fā)出不同音高呢？大家看到圖1，可能很自然的認(rèn)為零件B的各個(gè)彈片長(zhǎng)短不同，聯(lián)系八年級(jí)上學(xué)期的物理，長(zhǎng)度可以改變振動(dòng)的頻率，音調(diào)就不同啦.嘿嘿，別以為真這么簡(jiǎn)單，拆下兩個(gè)螺絲就懂了(如圖2).初看到圖2，先猜想一下質(zhì)量是否與音調(diào)(振動(dòng)頻率)有關(guān)呢？那么，就做個(gè)實(shí)驗(yàn)吧.

圖1

圖2

實(shí)驗(yàn)一：音調(diào)(振動(dòng)頻率)與質(zhì)量的關(guān)系

用調(diào)音器將吉他調(diào)準(zhǔn)音，在六弦上綁一塊橡皮，再次撥動(dòng)，觀察調(diào)音器有無變化.換其他三根線，做三次實(shí)驗(yàn)，尋找普遍規(guī)律(如表1).

表1

方法：控制變量法.

結(jié)論:其他條件不變的情況下，撥動(dòng)的東西質(zhì)量越小，頻率越快.

用生活中的應(yīng)用來舉例，樂器中，弦越細(xì)，其音調(diào)越高.

原來如此，由于《致愛麗絲》音調(diào)相差較大，設(shè)計(jì)者用同時(shí)改變長(zhǎng)度、質(zhì)量使其適應(yīng).

圖3

研究完振動(dòng)發(fā)聲，咱們繼續(xù)往前推——齒輪和蝸軸蝸桿(如圖3).為什么要用齒輪，甚至蝸輪蝸桿呢？咱們繼續(xù)做一個(gè)簡(jiǎn)單的對(duì)照實(shí)驗(yàn).

實(shí)驗(yàn)二：齒輪、渦輪蝸桿的作用

首先撥動(dòng)最大的齒輪(即圖1中的零件A)，感覺很難撥動(dòng)，撥動(dòng)立即發(fā)出聲音.其次，撥動(dòng)小渦輪，感覺很容易撥動(dòng)，但是撥動(dòng)很久幾乎沒有出聲.

根據(jù)實(shí)驗(yàn)及資料，初步得出結(jié)論：齒輪，蝸軸蝸桿主要目的是得到很大的傳動(dòng)比，從而減小速度，保持音樂較正常的節(jié)奏.還有利用蝸輪具有自鎖性(只能由蝸桿帶動(dòng)蝸輪，而不能由蝸輪帶動(dòng)蝸桿)使其在正常情況下很難像實(shí)驗(yàn)時(shí)撥動(dòng)最大的齒輪，起安全保護(hù)作用.

圖4

研究完這個(gè)，不禁感嘆，真是省力不省功啊！不過這里還有一個(gè)小問題.在圖4中，圈出的小零件的作用是什么？由于不好確定，在這里猜想一下：①可能具有穩(wěn)定性；②有開關(guān)的功能.

接著，就是這動(dòng)能的來源了——發(fā)條.發(fā)條的原理很簡(jiǎn)單，就是將一個(gè)彈性元件用外力(這里就是用手轉(zhuǎn)動(dòng)的力)壓縮，儲(chǔ)存能量，然后利用機(jī)械裝置使這部分能量逐漸釋放，咱們從能量的角度來總結(jié)一下：其他能→發(fā)條的彈性勢(shì)能→齒輪和蝸輪的動(dòng)能→聲能.

當(dāng)然，至于蝸輪蝸桿和齒輪的傳動(dòng)比以及“小疙瘩”的精確位置，還有很多我沒有發(fā)現(xiàn)的小奧秘等等都是設(shè)計(jì)師花費(fèi)大量精力和智慧設(shè)計(jì)出來的，這才讓我們聽到那清脆的《致愛麗絲》.

(指導(dǎo)教師：江蘇省蘇州工業(yè)園區(qū)第十中學(xué)陳剛)

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