神奇的“水瓶琴”

易海濤 黃平安

用一套相同的玻璃瓶子,只要適當(dāng)?shù)卦诿恳粋€(gè)瓶子里盛上深淺不同的水,按水量的多少順次排列,使它們組成一個(gè)完整的音階,就能敲出悅耳動(dòng)聽的曲子來,故有“音樂瓶”“水瓶琴”之稱。這個(gè)實(shí)驗(yàn)取材方便、操作簡(jiǎn)單、效果明顯,非常適合初中學(xué)生在課外進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究和老師課堂教學(xué)演示?！读x務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書——物理》八年級(jí)上冊(cè)第一章“聲現(xiàn)象”中的“聲音的特性”這一節(jié)“動(dòng)手動(dòng)腦學(xué)物理”就介紹了這個(gè)實(shí)驗(yàn)。教科書中這樣寫道:“8個(gè)相同的水瓶中灌入不同高度的水,敲擊它們,就能發(fā)出“1,2,

3,4,5,6,7,i”的聲音來。并配有下圖所示的圖片。

圖1. 3-8水瓶琴

根據(jù)文字介紹和圖片展示,許多學(xué)生和老師這樣理解為:左邊水最少的瓶子發(fā)出的聲音音調(diào)最低,右邊水最多的瓶子發(fā)出的聲音音調(diào)最高。而且許多參考書上的該題的答案也是這樣。但本人在做這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí),聽到聲音的高低卻正好相反,左邊的聲音的音調(diào)最高,右邊的聲音的音調(diào)最低。換用各種不同的啤酒瓶、吊針瓶、杯子等進(jìn)行實(shí)驗(yàn),都得到相同的結(jié)論。

對(duì)此,筆者查閱了大量資料,也是有兩種答案,究竟如何解釋這個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象呢?解決這個(gè)問題的關(guān)鍵是:敲瓶子時(shí)發(fā)出的聲音是由瓶子和水振動(dòng)產(chǎn)生的還是由瓶中的空氣柱振動(dòng)產(chǎn)生的?

還是上圖的器材,我們用同樣的力依次“吹”這八個(gè)瓶子的瓶口,也會(huì)發(fā)出不同音調(diào)的聲音,從左到右音調(diào)逐漸升高,這時(shí)是瓶?jī)?nèi)的空氣在振動(dòng)發(fā)聲,越往右內(nèi)部的空氣柱越短,空氣柱振動(dòng)發(fā)聲的音調(diào)也就越高。而這一點(diǎn)恰好同課本上的一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)相似:同一把尺,伸出桌面越短,它振動(dòng)時(shí)的音調(diào)越高。日常生活中也可找到許多相同的實(shí)例,同一物體,短一些或者細(xì)一些振動(dòng)時(shí)發(fā)聲的音調(diào)就高。如琴弦、橡皮筋、灌開水等。

再用細(xì)棒(敲音叉的橡膠錘也可)以同樣的力去“敲”這八個(gè)瓶子的同一位置,也會(huì)發(fā)出不同音調(diào)的聲音,從左到右音調(diào)逐漸降低,這時(shí)是瓶子和水在振動(dòng)發(fā)聲,越往右瓶子和水的質(zhì)量越大,振動(dòng)發(fā)聲的音調(diào)也越低。杯子所發(fā)出來的聲音,主要是由于杯壁的振動(dòng)。杯子的形狀、大小雖然相同,但盛上深淺不同的水后,相當(dāng)于改變了杯壁的質(zhì)量,因此發(fā)出的音調(diào)也就不同。盛水越滿,質(zhì)量越大,音調(diào)也就越低。日常生活中也有相同的例子,如厚鐵板在相同條件振動(dòng)時(shí)比薄鐵板發(fā)聲的音調(diào)要低。

認(rèn)真做了上面兩個(gè)實(shí)驗(yàn)后,相信你也看出了原因,“吹”時(shí)是空氣柱在振動(dòng),“敲”時(shí)是瓶和水在振動(dòng),聲源不同發(fā)聲情況也就不同了。所以筆者認(rèn)為:如上圖所示,8個(gè)相同的水瓶中灌入不同高度的水,吹瓶口時(shí),從左到右音調(diào)逐漸升高;敲瓶子時(shí),從左到右音調(diào)逐漸降低。

作者單位:1.武漢市東西湖區(qū)三店學(xué)校 2.湖北省孝感市孝南區(qū)肖港初中