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一種新型共振演示裝置的設(shè)計(jì)與制作

特古斯

(通遼職業(yè)學(xué)院內(nèi)蒙古 通遼028000)

在高職《物理》“機(jī)械振動(dòng)和機(jī)械波”一章關(guān)于聲音的共鳴實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中，通常采用兩個(gè)頻率相同的音叉進(jìn)行實(shí)驗(yàn) ,敲擊其中一支音叉后及時(shí)用手將其握住,聆聽(tīng)另一支音叉振動(dòng)發(fā)出的聲音.當(dāng)策動(dòng)力的頻率與第二個(gè)音叉的固有頻率正好相同時(shí)，第二個(gè)音叉發(fā)生振動(dòng)且振幅達(dá)到最大，這種現(xiàn)象叫做“共振”．例如，收音機(jī)的選臺(tái)，用音叉給弦樂(lè)器定音，運(yùn)動(dòng)員攀登雪山時(shí)不能大聲喊話，軍隊(duì)過(guò)橋時(shí)不允許邁著整齊的步伐等等都與共振知識(shí)密不可分．為使學(xué)生進(jìn)一步加深對(duì)共振知識(shí)的理解，筆者在教學(xué)中設(shè)計(jì)制作了一種新型共振演示裝置，供學(xué)生觀察討論，取得了良好的教學(xué)效果

1演示裝置的組裝

如圖1所示，共振演示裝置由共鳴箱、共鳴箱底座、弦桿、二胡鋼絲弦、二胡琴碼、二胡琴軸，音叉和二胡琴弓等組成．

圖1　共振演示裝置結(jié)構(gòu)圖

圖2　電子校音器

共鳴箱是用厚度為0.6 cm紅木板制成的5 cm×9.4 cm×19 cm的長(zhǎng)方體，共鳴箱前口蒙以蟒皮作為振動(dòng)面，后端敞口．在共鳴箱頂面中心點(diǎn)處挖孔將音叉的木制基座插入并固定，在共鳴箱頂面和底面上分別挖出兩個(gè)面積不相同的方形孔用于安裝弦桿，共鳴箱底座為1 cm×9.4 cm×19 cm長(zhǎng)方形紅木板， 底座前端開(kāi)有一條琴弦固定槽和系琴弦孔，孔內(nèi)裝有一顆弦的固定螺釘，弦桿選一根2 cm×2 cm×70 cm的紅木條，插入共鳴箱的琴桿部分處理成上粗下細(xì)，稍呈方錐形，末端方形榫頭有防止琴桿轉(zhuǎn)動(dòng)的作用，在弦桿上端開(kāi)圓臺(tái)形軸孔，用來(lái)安裝琴軸，紅木琴軸的形狀是一端粗一端細(xì)，呈一定的錐度，琴軸長(zhǎng)16 cm，粗端直徑2 cm，細(xì)端直徑1 cm，手執(zhí)部分長(zhǎng)度11 cm，并留一定的花紋，使琴軸細(xì)端漏出琴桿長(zhǎng)度為5 cm，在琴軸細(xì)端鉆出直徑為1.5 mm的圓孔，用來(lái)系琴弦， 將共鳴箱底座安裝在共鳴箱底部，用固定螺絲擰緊，然后將琴弦的固定環(huán)掛在系弦孔的螺釘上，再把弦的另一端穿過(guò)琴軸的穿弦孔，琴碼裝入弦與蟒皮之間，轉(zhuǎn)動(dòng)琴軸就可以調(diào)整弦的松緊度，最后將音叉插入共鳴箱頂面的音叉基座內(nèi)，電子校音器夾在弦桿上，如圖2所示．

2實(shí)驗(yàn)原理

將440 Hz的音叉插入共鳴箱頂面的音叉插座，手持琴弓運(yùn)弓用其弓毛摩擦琴碼附近的琴弦使其產(chǎn)生振動(dòng)，緊張的弦通過(guò)琴碼將振動(dòng)傳遞給蟒皮(共鳴板)使其振動(dòng)，通過(guò)共鳴箱的放大作用我們將聽(tīng)到弦振動(dòng)而發(fā)出的聲音．通過(guò)旋動(dòng)琴軸調(diào)整弦的松緊度來(lái)定弦的音高，給弦定音時(shí)通常配合使用電子校音器來(lái)完成，將電子校音器的夾子夾在共鳴箱弦桿上，調(diào)整顯示屏的角度以利于觀察，打開(kāi)電子校音器的電源開(kāi)關(guān)，將校音項(xiàng)目選12平均律的擋，旋動(dòng)琴軸改變弦的松緊程度使空弦發(fā)出的音調(diào)整到A(標(biāo)準(zhǔn)音A頻率為440 Hz)，如果音偏低或音偏高時(shí)校音器顯示屏為橙色背景，音準(zhǔn)時(shí)校音器顯示屏為綠色背景．實(shí)驗(yàn)時(shí)用手旋動(dòng)琴軸調(diào)整空弦的松緊度使校音器顯示屏正好呈現(xiàn)A字符綠色背景時(shí)，此時(shí)觀察到琴弦振動(dòng)所發(fā)出的聲音明顯增強(qiáng)，而且將琴弓離開(kāi)弦之后共鳴箱還能持續(xù)1 mim左右的很強(qiáng)的鳴響，實(shí)驗(yàn)表明弦和音叉發(fā)生了共振現(xiàn)象．如果將440 Hz音叉更換為523.2 Hz的音叉，將琴弦的振動(dòng)頻率調(diào)整440 Hz不變(即A音)，當(dāng)突然停止運(yùn)弓時(shí)卻聽(tīng)不到共鳴箱的鳴響現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)表明音叉和弦沒(méi)有發(fā)生共振現(xiàn)象，因此只有當(dāng)弦的振動(dòng)頻率與音叉的頻率相同時(shí)才會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象．

3演示步驟

(1)利用電子校音器將共振演示裝置弦(空弦)的振動(dòng)頻率調(diào)整到440.0Hz,此時(shí)電子定音器的液晶顯示器顯示的字母為A并出現(xiàn)綠色背景,

(2)突然停止運(yùn)弓時(shí)觀察插有440.0Hz音叉共鳴箱的動(dòng)靜．

(3)將440.0Hz音叉更換為523.2Hz的音叉，同樣持琴弓摩擦弦使其發(fā)聲，使弦(空弦)的振動(dòng)頻率調(diào)整到440.0Hz,當(dāng)突然停止運(yùn)弓時(shí)再觀察共鳴箱的動(dòng)靜．

步驟(2)中插有440.0Hz音叉的共鳴箱有非常明顯的延時(shí)鳴響現(xiàn)象，鳴響時(shí)間可達(dá)1min，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象十分突出，實(shí)驗(yàn)表明440.0Hz音叉與弦產(chǎn)生了共振現(xiàn)象．而步驟(3)插有523.2Hz音叉的共鳴箱沒(méi)有發(fā)生延時(shí)鳴響現(xiàn)象，表明5.232Hz的音叉和弦沒(méi)發(fā)生共振現(xiàn)象，因此只有當(dāng)音叉的固有頻率與弦的振動(dòng)頻率相同時(shí)才會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象．

此實(shí)驗(yàn)取材容易、操作簡(jiǎn)單、生動(dòng)有趣、效果明顯．對(duì)于拓展學(xué)生共振方面知識(shí)很有幫助．

(收稿日期：2015-10-09)