牛威+何宇紅

【摘 要】自制音調與頻率的關系演示儀創(chuàng)新的運用了變速齒輪與障礙物之間的摩擦直接表現(xiàn)出不同頻率對音調的影響。

【關鍵詞】音調；頻率

在孫阿明、劉靜所寫的“‘音調與頻率關系的演示實驗設計”一文中[1]，曾用低頻信號發(fā)生器控制頻率，用便攜式電腦小音箱作為聲源，來演示“音調與頻率關系”。本人借鑒了這種設計思路，為了追求更好的演示效果，在此基礎上進行了一系列的改進，設計了一套完整的實驗裝置，對“音調”以及“音調與頻率的關系”進行了直觀的演示，而且還能演示其他一些聲現(xiàn)象。

將低頻信號發(fā)生器改為電流控制電路板，降低了成本；將聲源由便攜式電腦小音箱改成了齒輪與鋁片的摩擦，這樣可以在視覺和聽覺兩方面加深學生的印象，更加直觀的演示“音調與頻率關系”。

實驗裝置原理如圖1所示，該裝置通過齒輪與鋁片的摩擦進行發(fā)聲，然后通過電流控制電路板來控制電機的轉速，進而控制齒輪與鋁片摩擦發(fā)聲的頻率。這樣通過調節(jié)變頻旋鈕就可以模擬不同頻率下，摩擦發(fā)聲的不同，即音調的不同。

儀器所用材料：

電機、齒輪、鋁板片、電流控制電路板、仿真蝴蝶（冰箱貼）。

本裝置演示方法：

（1）演示聲音具有“音調”這一特性：如圖2所示，將仿真蝴蝶用膠水粘鋁片上。接通電源，通過調節(jié)電流控制旋鈕，使齒輪與鋁片摩擦振動的頻率連續(xù)變化。這時，齒輪與鋁片摩擦發(fā)出的聲音可以是低沉的也可以發(fā)出尖銳的甚至是刺耳的，音調變化十分顯著。由此，學生可以深刻地感受到聲音可高可低，具有“音調”這樣的特性。

（2）演示“音調與頻率的關系”：接通電源，通過調節(jié)電流旋鈕，使齒輪與鋁片摩擦振動的頻率連續(xù)變化。可以觀察到：蝴蝶振動速度發(fā)生變化的同時，聲音的音調也發(fā)生了變化。蝴蝶振動加快，音調變高；振動變慢，音調變低。這樣不僅強化了學生的直觀感受，而且有利于學生“頻率” 概念的建立。

（3）本裝置演示用途拓展：

此套裝置除了可以很好地演示“音調與頻率的關系”外，還可以演示其他一些聲現(xiàn)象，而且效果也相當不錯。如演示“聲音是由于物體的振動產生的”，齒輪與鋁片摩擦發(fā)聲的同時，蝴蝶也在振動，齒輪與鋁片不發(fā)生摩擦時，裝置不發(fā)聲，蝴蝶振動停止。借助于這一現(xiàn)象，學生可以猜想到：聲音可能是由于物體的振動產生的。

本裝置的實驗過程與數(shù)據分析：

表1實驗數(shù)據表明，調動的度數(shù)越大，頻率就會越大，聲音就越刺耳，音調就越大。

表2表明在不改變電流控制旋鈕的調動度數(shù)下，實驗數(shù)據論證表明，齒輪數(shù)越多越密，聲音振動頻率越大，音調就越高。

結論：綜上所述，電流控制旋鈕調動度數(shù)越大，頻率就越大；頻率越大，齒輪數(shù)越密，聲音振動就越大；聲音振動越大，音調就越高。

本裝置的優(yōu)點：

（1）既可以演示了“音調與頻率的關系”，又可以演示聲學的其他理論。

（2）采用了變速齒輪與鋁片之間的摩擦直接表現(xiàn)出不同頻率對音調的影響。

（3）采用了在鋁片上粘仿真蝴蝶的方法使演示效果更直觀。

（4）采用了電流控制電路板，通過控制電流來改變電機轉速，進而改變齒輪與鋁片之間的振動頻率，讓演示效果更明顯。

（5）試驗裝置設計簡單，但可以非常直觀地觀察到“音調與頻率的關系”等物理現(xiàn)象。

參考文獻：

[1]孫阿明，劉靜.“音調與頻率關系”的演示實驗設計[J].物理教學探討.2015，（5）.33

通信作者：

何宇紅，延邊大學理學院物理系。