姚慧源 張伯林

摘 要：真空鈴實(shí)驗(yàn)是初中物理必做實(shí)驗(yàn)，但常規(guī)器材笨重不易操作，而當(dāng)下不少教師的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)過程中采用軟質(zhì)真空袋，存在聲音反射造成響度減小的科學(xué)性問題.為此作者經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，改進(jìn)真空罩，增加可視性，讓學(xué)生在無其他干擾因素的情況下體驗(yàn)科學(xué)道理.

關(guān)鍵詞：真空鈴;反射;真空罩;科學(xué)性

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1008-4134（2021）02-0018-03

作者簡(jiǎn)介：姚慧源（1974-），女，山東濟(jì)南人，本科，中學(xué)高級(jí)教師，研究方向：課堂教學(xué)高效性;

張伯林（1965-），男，山東濟(jì)南人，本科，中學(xué)高級(jí)教師，研究方向：教具的自制與創(chuàng)新研究.

在“聲音的產(chǎn)生和傳播”教學(xué)時(shí)，真空鈴實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生理解本節(jié)內(nèi)容起著重要的作用，一是此實(shí)驗(yàn)非常有利于學(xué)生理解空氣的傳聲作用，二是可以讓學(xué)生正確地領(lǐng)會(huì)理想實(shí)驗(yàn)法.該實(shí)驗(yàn)是學(xué)生正確理解聲音傳播需要介質(zhì)這一重要知識(shí)點(diǎn)的基礎(chǔ)，具有著不可替代的認(rèn)知價(jià)值.

常規(guī)的真空鈴實(shí)驗(yàn)，一般需要抽氣機(jī)、真空罩、聲源等器材.

早期通常用手動(dòng)抽氣機(jī)，缺點(diǎn)是費(fèi)力、抽氣慢.后來用電動(dòng)抽氣機(jī)（如圖1a所示），抽氣效率大大提高，實(shí)驗(yàn)效果更加明顯.聲源的選用也有改進(jìn)，早期使用機(jī)械鬧鈴，響鈴時(shí)間有限，并且隨著鬧鈴驅(qū)動(dòng)彈簧能量的釋放，鈴聲也會(huì)有所減小，使得實(shí)驗(yàn)說服力減弱.后來隨著科學(xué)的發(fā)展，小型藍(lán)牙音箱成為聲源的首選，其優(yōu)點(diǎn)一是省去導(dǎo)線的連接，并且響度穩(wěn)定，發(fā)聲持久;二是藍(lán)牙音箱最好選用紙盆外顯的（如圖1b所示）.實(shí)驗(yàn)時(shí)可以在音響的紙盆上放些輕質(zhì)物體，用以顯示實(shí)驗(yàn)時(shí)聲音減小但振動(dòng)依然繼續(xù).

以上改進(jìn)后的真空鈴實(shí)驗(yàn)效果提升了，但其缺點(diǎn)也很明顯，實(shí)驗(yàn)器材繁多、沉重，組裝也較為復(fù)雜，而且電動(dòng)抽氣機(jī)抽氣時(shí)噪音太大影響學(xué)生對(duì)發(fā)聲體響度變化的辨別.針對(duì)這些缺點(diǎn)，實(shí)際操作中，有不少教師加以改進(jìn)，并且應(yīng)用于教學(xué).為此，筆者特意選擇有代表性的兩例加以檢驗(yàn)，考查新實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性與學(xué)生的接受度.

1 改進(jìn)實(shí)例1

實(shí)驗(yàn)器材：一個(gè)塑料袋（方便袋），一部手機(jī)，一個(gè)大針管.

實(shí)驗(yàn)過程：將正在播放音樂的手機(jī)放入塑料袋中，再將大針管伸入到塑料袋中，用手同時(shí)抓緊塑料袋和針管（如圖2所示），保證不漏氣，如果袋內(nèi)空氣太多，可以事先用手將袋內(nèi)部分空氣擠出，用針管從塑料袋內(nèi)抽氣，視具體情況可以用針管反復(fù)抽氣，直到塑料袋貼合在手機(jī)上，此時(shí)就會(huì)聽到手機(jī)播放的音樂響度明顯減小.

實(shí)驗(yàn)中，有的教師干脆用吸管代替針管，直接用嘴吸出袋內(nèi)空氣，也取得了不錯(cuò)的效果.

這個(gè)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，不管實(shí)驗(yàn)器材還是實(shí)驗(yàn)過程都得到了極大的簡(jiǎn)化，看后無不稱奇.可細(xì)想，用嘴輕輕一吸得到的真空度，就能如此明顯地影響到聲音的響度嗎？學(xué)生覺得有點(diǎn)不可思議.

經(jīng)過實(shí)際測(cè)量發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)中用嘴吸氣的力度使氣壓降低不到200Pa，就能明顯減小聲音的響度.對(duì)比傳統(tǒng)的真空鈴實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，氣壓降低10kPa時(shí)，響度才會(huì)有如此明顯的變化，因此響度有這么大的變化肯定另有原因.

通過觀察發(fā)現(xiàn)，通常手機(jī)的“發(fā)音窗”在手機(jī)下端的側(cè)邊，當(dāng)把袋內(nèi)空氣吸出時(shí)，塑料袋會(huì)緊貼在“發(fā)音窗”上.把手機(jī)放進(jìn)塑料袋里，塑料袋處于松弛狀態(tài)，不貼在“發(fā)音窗”上時(shí)，響度是100dB，如圖3所示.把塑料袋緊貼在手機(jī)的“發(fā)音窗”上時(shí)，響度是77.3dB（所圖4所示，測(cè)量時(shí)周圍環(huán)境噪聲是38dB），由此可以推測(cè)，改變響度大小的主要原因不是真空，而是抽氣時(shí)塑料袋薄膜被大氣緊壓在手機(jī)的“發(fā)音窗”上并張緊，手機(jī)揚(yáng)聲器發(fā)出的聲音又被張緊的薄膜反射到手機(jī)里面，導(dǎo)致外部聽起來響度減小的現(xiàn)象.

2 改進(jìn)實(shí)例2

實(shí)驗(yàn)器材：網(wǎng)狀的筆筒，藍(lán)牙音箱，一個(gè)真空儲(chǔ)物袋，帶抽氣筒的真空袋.

實(shí)驗(yàn)過程：將網(wǎng)狀筆筒倒扣在藍(lán)牙音箱上，通過手機(jī)播放響度變化不大的音樂，并將其放置在真空袋中且密封好，不斷地往外抽氣，在這個(gè)過程中，很明顯地聽到聲音變小了.

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：推理得出真空不能傳聲[1].

筆者模擬了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，使用的器材是：兩用抽氣筒，塑料方便袋，玻璃瓶，帶網(wǎng)眼的自制瓶蓋（模擬網(wǎng)狀筆筒），密封墊（用以瓶蓋跟瓶子之間的密封），藍(lán)牙音箱，手機(jī)（安裝物理工坊APP，用以提供頻率、響度穩(wěn)定的聲音），分貝儀，氣壓計(jì).實(shí)驗(yàn)器材如圖5所示.

器材組裝完畢，如圖6、圖7所示，實(shí)驗(yàn)前讀出氣壓表示數(shù)：101.2kPa，環(huán)境噪音38.4dB，打開藍(lán)牙音箱，距離網(wǎng)狀瓶蓋10cm的上方，噪音值是97dB.用兩用抽氣筒從瓶內(nèi)抽氣，輕輕一抽，聲音立刻明顯減小，此時(shí)瓶內(nèi)氣壓值是101.0kPa，同樣距離瓶口上方10cm處的噪音降低到68dB.換用嘴直接從瓶內(nèi)吸氣，結(jié)果效果相同，輕輕一吸，聲音響度立刻大幅度減小.氣壓減小200Pa，就相當(dāng)于減小了2cm深的水產(chǎn)生的壓強(qiáng)，或者相當(dāng)于從一樓爬到2樓時(shí)大氣壓的減小量，就能夠使聲音的分貝值減小接近三分之一，這與我們的生活經(jīng)驗(yàn)是不相符的，實(shí)際上就是爬到三十層樓高的地方，也不會(huì)因氣壓的減小而導(dǎo)致交談時(shí)需要提高音量.

可以斷定，實(shí)驗(yàn)初始階段聲音響度的減小，氣壓（真空度）的降低不是主要原因.那是什么原因?qū)е侣曇繇懚鹊拇蠓鶞p小呢？實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不抽氣，當(dāng)網(wǎng)狀瓶蓋上面的塑料薄膜比較松弛的情況下，距離網(wǎng)狀瓶蓋10cm的上方，噪音值是97dB，依然不抽氣，用手將塑料薄膜繃緊，使其緊貼在網(wǎng)眼瓶蓋上，距離網(wǎng)狀瓶蓋10cm的上方，噪音值是79dB，聲音的減小幅度依然很大，由此可以設(shè)想，當(dāng)塑料袋薄膜比較松弛的情況下，聲波很容易穿過薄膜，當(dāng)薄膜繃緊的時(shí)候，聲波在薄膜上發(fā)生了反射，透過薄膜的聲音大大減弱.實(shí)驗(yàn)中用抽氣筒或者用嘴吸氣，所起的作用就是使瓶內(nèi)氣壓減小，外界大氣壓將薄膜壓在網(wǎng)狀瓶蓋上并張緊，增加了聲波的反射，導(dǎo)致外界聲音減小.用手繃緊薄膜減弱響度的效果比吸氣效果稍差，其原因就是吸氣會(huì)使薄膜跟瓶蓋的貼合更緊密，聲音的反射效果更好.

通過上述分析可以看出，上面兩個(gè)改進(jìn)的真空鈴實(shí)驗(yàn)中，其共同點(diǎn)都是采用了“復(fù)合真空罩”：帶網(wǎng)眼的骨架（網(wǎng)眼筆筒、手機(jī)外殼）跟軟外殼（塑料袋）的組合.這樣的結(jié)構(gòu)有利于聲音的外傳，可氣壓變化引起的軟塑料“外殼”張緊程度的改變，對(duì)聲音響度的影響太大，超過了真空度對(duì)聲音的影響.

為此，可以得出結(jié)論，實(shí)驗(yàn)器材本身的問題，會(huì)影響“真空鈴”實(shí)驗(yàn)的真實(shí)度，從而影響學(xué)生的科學(xué)判斷和有效認(rèn)知.

因此，我們可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)下不少真空鈴實(shí)驗(yàn)，雖然器材減少，方便操作，但改進(jìn)仍然不算成功;而傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)用了電動(dòng)抽氣機(jī)、真空罩，笨重、繁雜，真空罩體積又太大，抽真空的時(shí)間較長.

筆者經(jīng)過認(rèn)真的研判、反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，秉持簡(jiǎn)便易行、直觀具象的原則，先從改進(jìn)真空罩入手，有如下的改進(jìn)：

用一個(gè)體積較小的瓶子代替真空罩，瓶子的體積比選用的藍(lán)牙音箱直徑稍大，確保藍(lán)牙音箱放入瓶子后，四周不靠在瓶子上，這樣可以大大地縮短抽氣時(shí)間.瓶蓋要有很好的密封效果，筆者采用的是有機(jī)玻璃加硅膠墊，如圖8所示，由于抽氣量不大，可以使用兩用抽氣筒進(jìn)行抽氣即可，藍(lán)牙音箱采用的是圓柱狀的，將音響揚(yáng)聲器的保護(hù)罩去掉，這樣方便實(shí)驗(yàn)時(shí)將一些輕小物體（比如黃豆）直接放在揚(yáng)聲器上，用以顯示在抽氣過程中揚(yáng)聲器還在不斷的振動(dòng)，為了防止豆子掉入揚(yáng)聲器與瓶子的縫隙中，可以在藍(lán)牙音箱上邊緣粘上適當(dāng)厚度的海綿，音響下面墊上適當(dāng)厚度的泡沫塑料，起到隔音效果，瓶子與桌面之間也要墊上一層泡沫塑料板，防止引發(fā)桌面振動(dòng)，干擾實(shí)驗(yàn)效果（實(shí)驗(yàn)器材如圖9所示）.總組裝如圖10所示.

實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后，經(jīng)過十個(gè)班的使用，效果良好，每個(gè)班接近五十名同學(xué)，都能聽到抽氣過程中聲音響度的變化情況.其主要優(yōu)點(diǎn)在于：一是實(shí)驗(yàn)裝置體積小攜帶十分方便;二是采用了有機(jī)玻璃加硅膠墊密封，避免了軟質(zhì)塑料松弛和繃緊兩種狀態(tài)下，聲波反射的影響，還原實(shí)驗(yàn)真相;三是揚(yáng)聲器發(fā)聲時(shí)，學(xué)生不僅能聽到響度的改變，還能通過觀察豆子的跳動(dòng)推理出發(fā)聲體振動(dòng)幅度的變化.讓學(xué)生在無其他干擾因素的情況下體驗(yàn)科學(xué)道理.

缺點(diǎn)是，使用兩用抽氣筒達(dá)到的真空度有限，經(jīng)測(cè)試，兩用抽氣筒抽氣達(dá)到的最低氣壓是800kPa，學(xué)生只能感受小范圍的氣壓變化對(duì)聲音的影響.而電動(dòng)抽氣機(jī)的真空度能達(dá)到2Pa，如果想讓學(xué)生充分感受真空度對(duì)響度的影響，還是使用電動(dòng)抽氣機(jī)更好.當(dāng)然其他的地方，還有待進(jìn)一步的完善與提升.

基于物理核心素養(yǎng)總目標(biāo)的培養(yǎng)，讓學(xué)生掌握科學(xué)探究方法，發(fā)展科學(xué)探究能力，并通過科學(xué)方法檢驗(yàn)求證、得出結(jié)論，體驗(yàn)科學(xué)探究的樂趣，養(yǎng)成勇于創(chuàng)新的科學(xué)精神至關(guān)重要.而這一點(diǎn)在教具的創(chuàng)新和實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性中表現(xiàn)得尤為明顯.

當(dāng)一個(gè)新的作品或者一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)誕生時(shí)，作為一線從教人員，應(yīng)該具有思辨精神和質(zhì)疑品格，考查實(shí)驗(yàn)是否存在不足，甚至是否存在科學(xué)性錯(cuò)誤，以免給學(xué)生提供錯(cuò)誤的信息或假象，影響學(xué)生對(duì)科學(xué)的認(rèn)知.同時(shí)努力將有趣的、科學(xué)的、現(xiàn)象更加明顯的實(shí)驗(yàn)用于課堂教學(xué)，大膽創(chuàng)新，勇于思考，做出更接“地氣”和科學(xué)的教具，設(shè)計(jì)合理化的操作流程.而這種不斷的改進(jìn)和反思，從問題具體情境出發(fā)，回扣學(xué)生有效接受，正是基礎(chǔ)物理教學(xué)的魅力之一.

參考文獻(xiàn)：

[1]劉燕妮，湯金波.學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)在初中物理復(fù)習(xí)課中的巧妙應(yīng)用——以“聲音的復(fù)習(xí)”為例[J].中學(xué)物理，2020，38（12）：43-46.

（收稿日期：2020-10-12）