馬 靜 楊萬(wàn)琴 張軼炳

(寧夏大學(xué)物理與電子電氣工程學(xué)院,寧夏 銀川 750021)

·物理實(shí)驗(yàn)·

DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在聲現(xiàn)象教學(xué)中的應(yīng)用

馬 靜 楊萬(wàn)琴 張軼炳*

(寧夏大學(xué)物理與電子電氣工程學(xué)院,寧夏 銀川 750021)

本文采用DIS數(shù)字化信息系統(tǒng)對(duì)聲音的產(chǎn)生及聲音的特性進(jìn)行了研究．在探究“聲音是由物體振動(dòng)產(chǎn)生的”過(guò)程中,除了運(yùn)用尺子振動(dòng)實(shí)驗(yàn)外,還利用音叉與聲音傳感器相結(jié)合的實(shí)驗(yàn),進(jìn)一步探究“振動(dòng)”的概念,從而理解聲音的產(chǎn)生．在按照初中物理教材的實(shí)驗(yàn)安排,把音叉發(fā)出的聲音信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)上,本文做了一個(gè)改進(jìn),選擇高腳杯替代音叉,改變高腳杯的音調(diào),從而得出不同頻率的波形圖．除此之外,本文在探究響度的影響因素也利用了DIS數(shù)字化信息系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用既提高了實(shí)驗(yàn)的直觀性、可靠性,同時(shí)也增加了實(shí)驗(yàn)的有趣性．

聲音傳感器; 音調(diào); 響度; 周期

1 引言

新課程標(biāo)準(zhǔn)明確指出:“物理學(xué)由實(shí)驗(yàn)和理論兩部分組成．物理學(xué)實(shí)驗(yàn)是人類認(rèn)識(shí)世界的一種重要活動(dòng),是進(jìn)行科學(xué)研究的基礎(chǔ)．”物理實(shí)驗(yàn)可以培養(yǎng)學(xué)生觀察、動(dòng)手、動(dòng)腦的能力,其最重要的一個(gè)特點(diǎn)是加強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和鞏固,但是把物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象轉(zhuǎn)換為物理學(xué)的原理是一個(gè)艱難的過(guò)程,如果轉(zhuǎn)換不到位,實(shí)驗(yàn)就成了學(xué)生看熱鬧的過(guò)程,實(shí)驗(yàn)過(guò)后并不能幫助學(xué)生理解概念,實(shí)驗(yàn)和理論成“兩張皮”,概念仍然是死記硬背．例如振動(dòng)的概念,振動(dòng)是指物體周期性的往復(fù)運(yùn)動(dòng)．如果不通過(guò)實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生理解“周期”,那么就不可能真正理解振動(dòng)的概念．

將數(shù)字化信息系統(tǒng)與物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)合,就能夠?qū)崿F(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與物理學(xué)原理的轉(zhuǎn)換．“數(shù)字化信息系統(tǒng)”簡(jiǎn)稱“DIS”,是英文“Digital Information System”的縮寫,它是一個(gè)用傳感器獲取信息,經(jīng)數(shù)據(jù)采集器后由計(jì)算機(jī)對(duì)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)和圖形處理的實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái),如圖1所示．利用數(shù)字化系統(tǒng)把一些不明顯的現(xiàn)象顯性化,使得現(xiàn)象更容易被觀察到．下面,筆者利用 DIS 聲音傳感器開(kāi)發(fā)幾個(gè)與聲音有關(guān)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn),以實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)的有機(jī)整合．

圖1 DIS系統(tǒng)框圖

2 利用聲音傳感器探究聲音是由物體振動(dòng)產(chǎn)生的

2.1 學(xué)習(xí)難點(diǎn)分析

聲音是由物體的振動(dòng)產(chǎn)生的．振動(dòng)是指物體的周期性往復(fù)的運(yùn)動(dòng),這里振動(dòng)和周期在生活中常常說(shuō)到,但物理學(xué)中振動(dòng)和周期有著嚴(yán)格的定義,需要學(xué)生將日常用語(yǔ)轉(zhuǎn)換為物理術(shù)語(yǔ)．要理解振動(dòng),首先要理解周期．傳統(tǒng)教學(xué)是利用撥動(dòng)尺子讓學(xué)生聽(tīng)聲音的同時(shí)觀察尺子的運(yùn)動(dòng),但尺子運(yùn)動(dòng)很快,而且會(huì)迅速衰減,很多學(xué)生仍然無(wú)法理解周期和振動(dòng)的概念,只能死記硬背．另外周期和頻率是物體運(yùn)動(dòng)一種性質(zhì)的兩種表示,所以理解了周期就能理解頻率,對(duì)后面學(xué)習(xí)音調(diào)有很大幫助．

2.2 探究過(guò)程

2.2.1 用撥動(dòng)尺子實(shí)驗(yàn)初步理解振動(dòng)的概念

圖2 尺子振動(dòng)實(shí)驗(yàn)

首先將鋼尺伸出桌邊一段距離,然后用力向下?lián)軇?dòng)鋼尺,仔細(xì)觀察尺子的運(yùn)動(dòng)情況,如圖2所示．

分析尺子的運(yùn)動(dòng):(假設(shè)尺子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為理想狀態(tài),振幅沒(méi)有衰減)

取尺子的頂點(diǎn)在水平位置時(shí)為O點(diǎn),由圖3可知,尺子第1次運(yùn)動(dòng)速度方向向下,運(yùn)動(dòng)最大距離為|-a|;第2次運(yùn)動(dòng)從反向最遠(yuǎn)處運(yùn)動(dòng)到原點(diǎn)O處,速度方向向上;第3次運(yùn)動(dòng)速度方向向上,并且運(yùn)動(dòng)最大距離為|a|;第4次運(yùn)動(dòng)從正向最遠(yuǎn)處運(yùn)動(dòng)到原點(diǎn),速度方向向下;第5次運(yùn)動(dòng)速度方向向下,運(yùn)動(dòng)最大距離為|-a|……可以發(fā)現(xiàn),從第5次運(yùn)動(dòng)重復(fù)進(jìn)行第1次運(yùn)動(dòng),第6次運(yùn)動(dòng)重復(fù)第2次運(yùn)動(dòng)……我們把第1、2、3、4次運(yùn)動(dòng)叫一次全振動(dòng),第5次以后的重復(fù)運(yùn)動(dòng)叫做往復(fù)運(yùn)動(dòng),而把完成一次全振動(dòng)的時(shí)間叫做一個(gè)周期．

(A) 尺子第1次運(yùn)動(dòng).

(B) 尺子第2次運(yùn)動(dòng).

(C) 尺子第3次運(yùn)動(dòng).

(D) 尺子第4次運(yùn)動(dòng).

圖3

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以看出,尺子在做一個(gè)周期性的往復(fù)運(yùn)動(dòng),即尺子在振動(dòng)．

尺子的振動(dòng)較快,并且振動(dòng)幅度在不斷衰減,還有受到撥動(dòng)快慢、阻力等因素的影響,所以學(xué)生不能清楚地觀察到尺子的運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié),從而導(dǎo)致不能很好地理解“周期”是“往復(fù)運(yùn)動(dòng)”一次的時(shí)間．

因此為了克服實(shí)驗(yàn)誤差,理解物理術(shù)語(yǔ)周期和頻率,物理實(shí)驗(yàn)中有專門設(shè)計(jì)的儀器——音叉,每個(gè)音叉有固定的頻率,有配套的共鳴箱和敲擊錘．但由于音叉振動(dòng)也很快,如250 Hz的音叉,每秒鐘重復(fù)振動(dòng)250次,用肉眼也很難看到周期性的變化．因此可以利用聲音傳感器分析音叉振動(dòng)的圖形,把實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象顯性化,幫助學(xué)生理解“振動(dòng)”的概念．

2.2.2 用傳感器實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生建構(gòu)“聲音是由物體的振動(dòng)產(chǎn)生的”概念

圖4 實(shí)驗(yàn)儀器連接

(1) 實(shí)驗(yàn)儀器介紹.

DIS數(shù)字化信息系統(tǒng),計(jì)算機(jī),音叉．

(2) 儀器的組裝.

將儀器按照?qǐng)D4所示的方法連成閉合回路,通過(guò)改變發(fā)聲體的種類,靠近聲音傳感器,通過(guò)數(shù)據(jù)采集器在電腦上繪制波形圖．

(3) 實(shí)驗(yàn)方案.

首先,讓學(xué)生將發(fā)聲與電腦屏幕中圖形變化聯(lián)系起來(lái)．學(xué)生們說(shuō)話、敲擊桌子等,學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn),任何發(fā)聲都會(huì)導(dǎo)致屏幕中波形的變化,說(shuō)明傳感器實(shí)驗(yàn)可以研究發(fā)聲規(guī)律的．

其次,敲擊音叉,讓學(xué)生觀察,學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)敲擊音叉,波形很有規(guī)律,告訴學(xué)生,音叉是最簡(jiǎn)單的一種振動(dòng),我們物理學(xué)就從研究最簡(jiǎn)單的振動(dòng)開(kāi)始,前面觀察到的那些復(fù)雜波形事實(shí)上都是若干簡(jiǎn)單振動(dòng)的合成．

第三,詳細(xì)分析音叉發(fā)聲的振動(dòng)圖形．根據(jù)圖4所示連接好實(shí)驗(yàn)裝置,敲擊音叉,然后再使音叉振動(dòng)停止,數(shù)據(jù)采集器將數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī),可以得到音叉發(fā)聲和音叉停止發(fā)聲曲線,如圖5、圖6所示．

圖5 音叉發(fā)聲

圖6 音叉停止發(fā)聲

這個(gè)圖形是物理學(xué)中研究振動(dòng)的一種方法,可以直觀地表現(xiàn)出振動(dòng)的周期、頻率、振幅等概念．

分析圖形:圖7截取了部分音叉振動(dòng)圖像,圖中①②③④ 位置為音叉完成一次全振動(dòng)所在位置,周期為T,圖7經(jīng)歷了4次全振動(dòng),即時(shí)間為4T,我們把最大振動(dòng)幅度叫做振幅,由圖7可知音叉的振幅為A．周期表示完成一次全振動(dòng)的時(shí)間,頻率代表1s內(nèi)物體振動(dòng)的次數(shù),由此可知,頻率與周期成倒數(shù)關(guān)系．由圖5可知音叉的振動(dòng)頻率為527.3Hz,所以音叉振動(dòng)周期約為0.0019s．由振動(dòng)圖像可以看出,音叉的運(yùn)動(dòng)是周期性的往復(fù)運(yùn)動(dòng),即音叉在持續(xù)振動(dòng),所以音叉會(huì)發(fā)出聲音．即物體振動(dòng)就能發(fā)出聲音;物體振動(dòng)停止,發(fā)聲停止,由此可得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論:聲音是由物體振動(dòng)產(chǎn)生的．

圖7 音叉振動(dòng)圖像

3 利用傳感器實(shí)驗(yàn)探究聲音的特性

3.1 探究音調(diào)與頻率的關(guān)系

頻率表示物體振動(dòng)的快慢,并且音調(diào)的高低是由物體振動(dòng)頻率決定的．傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)用鋼尺作為教具,通過(guò)撥動(dòng)鋼尺,改變鋼尺伸出桌邊的長(zhǎng)度來(lái)改變鋼尺振動(dòng)的快慢,能夠得出音調(diào)的高低與物體振動(dòng)快慢的關(guān)系．但是,鋼尺實(shí)驗(yàn)的缺陷在于:學(xué)生并不能清楚的觀察到鋼尺振動(dòng)快慢的變化,更不能清楚地理解音調(diào)與頻率之間的關(guān)系．由此,改進(jìn)實(shí)驗(yàn):利用高腳杯發(fā)聲頻率單一這一特點(diǎn),摩擦裝有不同高度水的高腳杯杯口,通過(guò)數(shù)據(jù)采集器將數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī),可以分別得到音調(diào)高低不同的高腳杯發(fā)聲振動(dòng)曲線,如圖8、圖9所示； 不同高度水的高腳杯發(fā)聲的音調(diào)、辨音度等如表1所示.

圖8 裝水高度5.5 cm的高腳杯(音調(diào)低)

圖9 空高腳杯(音調(diào)高)

杯內(nèi)水的高度/cm音調(diào)頻率/Hz幅度/mV5.5低1308.6600-35004較低1660.2600-35002較高1796.9600-35000高1816.4600-3500

由圖8，9和表1可知,高腳杯內(nèi)裝水越多,就說(shuō)明杯內(nèi)空氣柱振動(dòng)的高度就越低,此時(shí)振動(dòng)頻率就越小,從而高腳杯的發(fā)聲音調(diào)就越低;反之,高腳杯內(nèi)裝水越少,杯內(nèi)空氣柱振動(dòng)的高度就越高,此時(shí)振動(dòng)頻率就越大,從而高腳杯的發(fā)聲音調(diào)就越高．與高腳杯有相似的發(fā)音原理的樂(lè)器一般是管樂(lè),例如薩克斯、笛子、口琴等．

3.2 探究影響響度的因素

(1) 探究響度與振幅的關(guān)系.

人教版八年級(jí)物理上冊(cè)34頁(yè)“演示實(shí)驗(yàn)”欄目中介紹了利用轉(zhuǎn)化法來(lái)探究響度與振幅的關(guān)系:將正在發(fā)聲的音叉輕觸系在細(xì)繩上的乒乓球,觀察乒乓球被彈開(kāi)的幅度,筆者認(rèn)為這樣的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不能直觀地向?qū)W生展示“響度與振幅的關(guān)系”,利用聲音傳感器更有利于學(xué)生理解“振幅越大,響度越大”．選擇頻率為527.3 Hz的音叉,輕敲音叉、重敲音叉,數(shù)據(jù)采集器采集到信息,傳輸給計(jì)算機(jī),分別得到響度大小不同的音叉振動(dòng)曲線,如圖10、圖11所示，敲擊音叉力度不同時(shí)音叉發(fā)聲的響度、振幅、頻率等如表2所示.

圖10 輕敲音叉(響度小)

圖11 重敲音叉(響度大)

敲擊音叉力度頻率/Hz幅度/mV響度小527.31500-2500小較小527.31300-2700較小較大527.3800-3200較大大527.3600-3400大

由圖10、11和表2可知,當(dāng)音叉振動(dòng)頻率相同時(shí),敲擊音叉的力度越大,振幅就越大,從而音叉發(fā)出的聲音響度就越大;相反的,敲擊音叉的力度越小,振幅就越小,從而音叉發(fā)出的聲音響度就越?。纱丝傻?，響度的大小與振幅有關(guān)系,并且振幅越大,響度越大;振幅越小,響度越?。?/p>

聲音從聲源處產(chǎn)生,通過(guò)介質(zhì)傳播到人耳,所以人耳聽(tīng)到的聲音是否響亮,除了跟發(fā)聲體發(fā)聲時(shí)的響度有關(guān)外,還與人耳距離發(fā)聲體遠(yuǎn)近有關(guān)．

(2) 探究響度與發(fā)聲體遠(yuǎn)近的關(guān)系.

選取頻率單一的發(fā)聲體,控制發(fā)聲體發(fā)聲的音調(diào)相同,改變發(fā)聲體與聲音傳感器之間的距離,觀察振幅,即響度的大小,如圖12、圖13所示，具體參數(shù)如表3所示．

圖12 距離較遠(yuǎn)

圖13 距離較近

距離/cm頻率/Hz幅度/mV響度51191.4600-3400大101191.41000-2900較大151191.41100-2800較小201191.41400-2500小

由圖12，13和表3可知,頻率單一的發(fā)聲體距離聲音傳感器越遠(yuǎn),波形圖的振幅越小,即響度越小;發(fā)聲體距離聲音傳感器越近,波形圖的振幅越大,即響度越大．由此可知，接收處聲音響度的大小與距離發(fā)聲體的遠(yuǎn)近有關(guān),并且距離越近,響度越大;距離越遠(yuǎn),響度越?。?/p>

(3) 探究響度與分散程度的關(guān)系.

如圖14所示,制作錐形紙筒并且連接實(shí)驗(yàn)儀器．利用聲音傳感器分別收集有紙筒和沒(méi)有紙筒的蜂鳴器發(fā)聲波形圖,如圖15、圖16所示，具體參數(shù)如表4所示．

圖14 實(shí)驗(yàn)儀器連接示意圖

圖15 有紙筒波形圖

圖16 無(wú)紙筒波形圖

狀態(tài)距離/cm頻率/Hz幅度/mV響度有紙筒251191.4700-3300大無(wú)紙筒251191.41200-2700小

選取頻率相同的蜂鳴器,讓其距離聲音傳感器的距離始終保持一致,由圖15，16和表4可知,當(dāng)有紙筒時(shí),振幅更大,即響度更大,所以,響度的大小與分散程度有關(guān)系．

4 結(jié)束語(yǔ)

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果上可以看出,利用DIS數(shù)字化信息系統(tǒng)可以更好地將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為物理圖像,其特點(diǎn)是現(xiàn)象更直觀,學(xué)生可以在電腦顯示屏上直觀地看到聲音的波形,可以比較不同音調(diào)不同的振動(dòng)頻率,可以對(duì)比不同響度不同的振動(dòng)幅度,這不僅解決了學(xué)生肉眼看不清聲源振動(dòng)的問(wèn)題,而且更明確地讓學(xué)生了解到聲音是一種波．用DIS聲音傳感器開(kāi)展教學(xué),能使學(xué)生對(duì)音調(diào)、響度等概念的了解更加深入科學(xué)．

1 普通初中物理課程標(biāo)準(zhǔn)[M]. 北京:人民教育出版社,2011.

2 鈄方健.基于DIS實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力[J].物理教師，2016(12)：45-48.

3 劉先鋒.基于DIS實(shí)驗(yàn)的“超重與失重”教學(xué)設(shè)計(jì)[J].物理教師，2015(8)：21-23.

4 郁志蕓. 以電腦示波代替人眼判斷的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)案例——以探究聲音的特性為例[J]. 物理教學(xué), 2016(7):27-29.

2017-03-05)

本文受寧夏高等學(xué)校科研項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)： NGY2016077)資助.

* 通訊作者： 張軼炳，女，碩士，教授，主要研究方向?yàn)槲锢斫逃?