“音調(diào)與頻率關(guān)系”的演示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

孫阿明++劉靜

摘 要：低頻信號(hào)發(fā)生器結(jié)合貼有仿真的小音箱可以直觀地演示“音調(diào)與頻率的關(guān)系”，除此之外，利用此裝置還可以演示“聲音是由于物體的振動(dòng)產(chǎn)生的”“聲音是一種波”等。

關(guān)鍵詞：演示實(shí)驗(yàn)；音調(diào)；頻率；低頻信號(hào)發(fā)生器；音箱

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2015）5-0062-2

在初中物理“聲音的特性”的教學(xué)中，為了讓學(xué)生理解聲音的高低是由聲源的振動(dòng)快慢決定的，教師要設(shè)法演示這樣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：聲源振動(dòng)快慢發(fā)生變化的同時(shí)，聲音的音調(diào)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。常用的演示方法有這樣幾種：（1）用硬紙片接觸不同轉(zhuǎn)動(dòng)速度的發(fā)音齒輪；（2）用硬紙片（或金屬片）以不同的速度在梳子（或鋸條）上劃過；（3）先后撥動(dòng)伸出桌邊不同長(zhǎng)度的彈性尺……這些實(shí)驗(yàn)在幫助學(xué)生理解音調(diào)與頻率的關(guān)系上起到了一定的作用，但都存在同樣的兩個(gè)問題：（1）由于聲源的振動(dòng)頻率變化不大，學(xué)生感受到的音調(diào)變化不明顯；（2）由于人眼存在視覺暫留效應(yīng)，學(xué)生很難直接觀察到聲源振動(dòng)速度所發(fā)生的變化。教學(xué)中用這些演示實(shí)驗(yàn)并不能給學(xué)生最直觀的感受。

演示實(shí)驗(yàn)效果的好壞直接關(guān)系到學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的信任度和理解。為了追求更好的演示效果，我們?cè)O(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)裝置，成功地對(duì)“音調(diào)”以及“音調(diào)與頻率的關(guān)系”進(jìn)行了直觀演示，而且還能演示其他一些聲現(xiàn)象。

1 實(shí)驗(yàn)器材

低頻信號(hào)發(fā)生器（EE1641C型），便攜式電腦小音箱，仿真蝴蝶（冰箱貼），BNC轉(zhuǎn)雙鱷魚夾線。

2 演示方法

2.1 演示聲音具有“音調(diào)”這一特性

如圖1所示，將仿真蝴蝶用膠水粘在音箱的紙盆上，用BNC轉(zhuǎn)雙鱷魚夾線將低頻信號(hào)發(fā)生器與音箱相連。通過低頻信號(hào)發(fā)生器的“頻率選擇”按鈕，使信號(hào)源的頻率在“10”、“100”、“1K”三個(gè)檔位之間進(jìn)行切換。這時(shí)，音箱既可以發(fā)出低沉的聲音也可以發(fā)出尖銳的甚至是刺耳的聲音，音調(diào)變化十分顯著。由此，學(xué)生可以深刻地感受到聲音可高可低，具有“音調(diào)”這樣的特性。

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圖1 演示裝置

注意事項(xiàng)：實(shí)際上，在調(diào)節(jié)信號(hào)源頻率時(shí)，聲音的響度也會(huì)發(fā)生變化。為了將學(xué)生的注意力集中在音調(diào)的變化上，可以適當(dāng)?shù)靥岣咭粝涞囊袅?，因?yàn)楫?dāng)聲強(qiáng)大于85 dB時(shí)，耳朵對(duì)各個(gè)頻率聲音的靈敏度基本上相等。

2.2 演示“音調(diào)與頻率的關(guān)系”

將低頻信號(hào)發(fā)生器的頻率檔位選擇在“10”，轉(zhuǎn)動(dòng)“頻率微調(diào)”旋鈕，對(duì)信號(hào)源頻率進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，可以觀察到：蝴蝶振動(dòng)速度發(fā)生變化的同時(shí)，聲音的音調(diào)也發(fā)生了變化。蝴蝶振動(dòng)加快，音調(diào)變高；振動(dòng)變慢，音調(diào)變低。這樣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象強(qiáng)化了學(xué)生的直觀感受，為學(xué)生作出合理猜想和進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)，也有利于學(xué)生“頻率”概念的建立。

注意事項(xiàng)：一定要在“低頻”檔對(duì)信號(hào)進(jìn)行“連續(xù)”調(diào)節(jié)。聲音控制在低頻是為了人眼能夠觀察到振動(dòng)，對(duì)信號(hào)頻率進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)可以使音調(diào)以及振動(dòng)速度的變化更易察覺。

3 演示用途拓展

此套裝置除了可以很好地演示“音調(diào)與頻率的關(guān)系”外，還可以演示其他一些聲現(xiàn)象，而且效果也相當(dāng)不錯(cuò)。

3.1 演示“聲音是由于物體的振動(dòng)產(chǎn)生的”

音箱發(fā)出聲音的同時(shí)，蝴蝶也在振動(dòng)，音箱不發(fā)聲，蝴蝶振動(dòng)停止。借助于這一現(xiàn)象，學(xué)生可以猜想到：聲音可能是由于物體的振動(dòng)產(chǎn)生的。

3.2 演示“聲音是一種波”

如圖2所示，將點(diǎn)燃的蠟燭放在音箱前，在頻率較低的情況下，可以清楚地看到燭焰周期性的來回晃動(dòng)，借助于此實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，教師可以引出“聲波”的概念。

3.3 演示“響度與振幅的關(guān)系”

如圖3所示，在小音箱的喇叭口置一透明容器，將橡皮泥捏成的小球放在音箱的紙盆上，調(diào)節(jié)音箱的音量，可以控制小球的彈跳高度。小球的重量較輕，在不同響度的聲音下，小球振動(dòng)幅度的變化較為明顯，這一現(xiàn)象可以演示響度與聲源的振動(dòng)幅度的關(guān)系。

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圖2 演示“聲音是一種波” 圖3 演示“響度與振幅的關(guān)系”

3.4 演示“次聲波” 和“超聲波”

從“0”到“10M”順次切換低頻信號(hào)發(fā)生器的頻率檔位，可以發(fā)現(xiàn)人耳并不是所有頻率的聲音都能聽到。借助這一現(xiàn)象，教師可以引出“超聲波”和“次聲波”的概念。

以上介紹的演示實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)象新奇、直觀，在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)能幫助學(xué)生理解所學(xué)的概念，希望能為教師們的實(shí)際教學(xué)提供些許參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]顧建軍.做聲學(xué)演示實(shí)驗(yàn)的幾個(gè)小竅門[J].物理教師，2009，（2）：4.

[2]徐成華.對(duì)“探究音調(diào)和頻率的關(guān)系”演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)建議[J].物理教學(xué)探討，2013，（1）：26.

（欄目編輯 王柏廬）