顧維

摘? ?要：傳統(tǒng)的聲速測(cè)量缺少實(shí)驗(yàn)探究環(huán)節(jié)，文章利用計(jì)算機(jī)錄音軟件“GoldWave” 設(shè)計(jì)了聲速測(cè)量的創(chuàng)新探究活動(dòng)。該軟件結(jié)合耳機(jī)采集兩個(gè)聲道的信號(hào)，形象地觀測(cè)到了聲音傳播需要時(shí)間、聲音在不同介質(zhì)中傳播速度的差異和在空氣中的傳播速度。此創(chuàng)新設(shè)計(jì)原理簡(jiǎn)單、方法可靠、貼近生活且具有較高的精度，可幫助學(xué)生在探究過(guò)程中獲得更多的創(chuàng)新性體驗(yàn)，從而提高思維品質(zhì)和實(shí)驗(yàn)探究能力，也可以作為初中物理綜合實(shí)踐活動(dòng)“聲現(xiàn)象”板塊的有益補(bǔ)充。

關(guān)鍵詞：聲速;綜合實(shí)踐活動(dòng);聲音的傳播

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2021）7-0068-2

蘇科版初中物理教材在介紹聲音在空氣中的傳播速度時(shí)，從“聲音的傳播需要時(shí)間嗎？”這個(gè)問(wèn)題出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生思考“在百米賽道終點(diǎn)處為何先看到‘白煙，一段時(shí)間后才聽(tīng)到槍響”，繼而引出聲音的傳播需要時(shí)間。但是，教師在教學(xué)中往往直接告訴學(xué)生聲速為340 m/s，學(xué)生則是機(jī)械地記住這個(gè)數(shù)值，缺少實(shí)驗(yàn)探究環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的聲速測(cè)量方法有相位比較法、振幅極值法、時(shí)差法等[1]。前兩種方法的原理涉及到較高的機(jī)械波相關(guān)知識(shí)，不適合初中生。教材提到的百米賽道案例屬于時(shí)差測(cè)量法，需要在室外的操場(chǎng)實(shí)施，對(duì)計(jì)時(shí)器的精度要求比較高，同時(shí)也存在人為誤差。針對(duì)此問(wèn)題，筆者利用錄音軟件同時(shí)采集兩個(gè)聲道的信號(hào)進(jìn)行聲速探究活動(dòng)的設(shè)計(jì)，依次進(jìn)行“聲音的傳播需要時(shí)間”“不同介質(zhì)中的聲速”和“測(cè)量空氣中的聲速”等探究活動(dòng)。

1? ? 聲音采集的原理

實(shí)驗(yàn)選用最常見(jiàn)的3.5 mm接口動(dòng)圈式有線耳機(jī)，其兩個(gè)耳塞是相互獨(dú)立的聲道電路。把耳機(jī)插入電腦錄音孔（MIC）內(nèi)，外界聲波引起兩個(gè)耳塞的振動(dòng)膜振動(dòng)，產(chǎn)生的電信號(hào)被聲卡記錄（圖1）。

打開(kāi)“GoldWave”（或其他錄音軟件），點(diǎn)擊錄音，可以看到兩個(gè)耳塞采集到的聲音信號(hào)輸出到左右兩個(gè)聲道中。通過(guò)信號(hào)增益、時(shí)間軸放大，可以觀測(cè)到兩路信號(hào)的微小差異，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析處理可得出聲音的傳播特性（圖2）。

2? ? 實(shí)驗(yàn)聲源的選擇

鑒于耳機(jī)作為錄音元件錄制到的電平較低，為了便于尋找對(duì)應(yīng)的振動(dòng)信息點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)所需聲源要響亮、短促、振動(dòng)單調(diào)、波形簡(jiǎn)單。筆者選用兩個(gè)木塊敲擊，其振動(dòng)特性基本滿足上述要求。

3? ? 探究活動(dòng)的設(shè)計(jì)

活動(dòng)1：觀察聲音的傳播需要時(shí)間

取一把木質(zhì)米尺，用膠帶把耳機(jī)貼在米尺上相距60～80 cm的地方，耳塞面朝上放置，耳塞與木尺之間墊上一小塊軟墊。

對(duì)比實(shí)驗(yàn)1：在兩個(gè)耳塞的中點(diǎn)位置敲響木塊，記錄波形（圖3）。因?yàn)閮蓚€(gè)耳塞到聲源的距離相等，所以兩個(gè)波形放大后，并未出現(xiàn)明顯的振動(dòng)時(shí)間差，振幅也基本相同，說(shuō)明聲音是同時(shí)傳到兩個(gè)耳塞的（圖4）。

對(duì)比實(shí)驗(yàn)2：在兩個(gè)耳塞的外側(cè)延長(zhǎng)線上敲擊木塊（圖3），再次記錄并比較兩個(gè)聲道的波形，可以觀察到兩個(gè)聲道的波形的振動(dòng)起點(diǎn)存在一定的時(shí)間差（圖5），表明聲音的傳播需要時(shí)間。距離聲源較近的耳塞接收到聲波所需時(shí)間短、振幅大;較遠(yuǎn)的耳塞所需時(shí)間長(zhǎng)、振幅小。

活動(dòng)2：聲音在固體中的傳播速度比在空氣中快

將耳塞面朝下，緊貼在木尺表面，并用膠帶固定住，距離和活動(dòng)1的保持一致。用一個(gè)木塊敲擊木尺的一端，產(chǎn)出的聲波通過(guò)木尺傳向兩個(gè)耳塞。學(xué)生對(duì)采集到的左、右聲道波形與活動(dòng)1的波形進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)：上述振動(dòng)的時(shí)間差明顯變小，得出聲音在木頭中的傳播速度比在空氣中快（理論傳播速度為500 m/s，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)約為540 m/s）。

拓展實(shí)驗(yàn)：聲音在鋼鐵中的傳播速度如何呢？只需要把木尺換成一根鋼棒進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果幾乎看不到時(shí)間差，說(shuō)明聲音在鋼鐵中的傳播速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于它在空氣和木尺中的傳播速度。

活動(dòng)3：測(cè)量聲音在空氣中的傳播速度

將兩個(gè)耳塞振動(dòng)膜的中心間距固定在70 cm，在一側(cè)延長(zhǎng)線上用力多次敲擊木塊，同時(shí)錄音軟件采集聲音。放大波形的振幅，再讓波形圖在時(shí)間軸上放大，選擇波形清晰的幾次敲擊。拖動(dòng)鼠標(biāo)精確選擇兩列波對(duì)應(yīng)的振動(dòng)位置，點(diǎn)擊“設(shè)數(shù)”按鈕即顯示起始時(shí)刻并計(jì)算時(shí)間差（圖6）。利用v=s/t求出聲音在空氣中的傳播速度。多次測(cè)量，求出測(cè)量平均值，并與理論值對(duì)比。得到的圖像和數(shù)據(jù)如圖6所示，測(cè)得聲速為346.5 m/s，十分接近340 m/s。該實(shí)驗(yàn)是在接近20 ℃的環(huán)境中完成的，后期也可以進(jìn)一步研究聲速與空氣溫度和濕度的關(guān)系。

4? ? 反? 思

實(shí)驗(yàn)誤差的主要來(lái)源：（1）聲源位置布局不精準(zhǔn)，其并非精確在兩耳塞的連線上;（2）實(shí)驗(yàn)過(guò)程中聲音加強(qiáng)位置判斷不準(zhǔn)確;（3）室內(nèi)溫度和濕度存在微小變化。

5? ? 總? 結(jié)

學(xué)生“實(shí)驗(yàn)經(jīng)歷”和“知識(shí)傳授”獲得的體驗(yàn)截然不同，使用耳機(jī)錄制聲音的方法原理簡(jiǎn)單、器材易得，不需要做任何改裝，且成本低廉、精度可靠。上述綜合探究活動(dòng)可以在教室里以2～4人的學(xué)習(xí)小組的形式開(kāi)展，也可以作為課后自主探究活動(dòng)。學(xué)生通過(guò)該探究活動(dòng)，不僅形象地看到了波形圖，還了解了不同物體的波形圖具有不同的特征，直觀地感知了聲音傳播的快慢。在小組實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生的觀察、動(dòng)手、思維能力得到發(fā)展，也體會(huì)到了相互合作的樂(lè)趣和成就感。在初中物理教學(xué)中演示該實(shí)驗(yàn)，有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊述武，趙立竹，沈國(guó)土. 普通物理實(shí)驗(yàn)（力學(xué)、熱學(xué)部分）[M].北京：高等教育出版社，2007：30-33，61-63，139-142.（欄目編輯? ? 邱曉燕）