應(yīng)用“手機(jī)APP”改進(jìn)聲學(xué)實(shí)驗(yàn)

曹宇楊 張鈞瑋

摘 要：在初中物理教材中關(guān)于聲學(xué)部分的實(shí)驗(yàn)一般缺少具體數(shù)據(jù)作為證據(jù)，其原因是所用器材較為落后.而如今智能手機(jī)普及到千家萬戶，并且手機(jī)中有多個(gè)傳感器，教師運(yùn)用手機(jī)APP便可將聲學(xué)實(shí)驗(yàn)引入學(xué)生家中，不僅操作簡便，趣味性強(qiáng)，適用范圍也廣泛.筆者將以O(shè)scilloscope、Frequency Sound Generator、Phyphox三款手機(jī)APP為例，闡述如何用其改進(jìn)初中物理聲學(xué)實(shí)驗(yàn).

關(guān)鍵詞：手機(jī)APP;創(chuàng)新實(shí)驗(yàn);初中物理;實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

中圖分類號：G633.7???? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）14-0011-03

作者簡介：曹宇楊（1992-），男，黑龍江哈爾濱人，本科，中學(xué)一級教師，研究方向：物理實(shí)驗(yàn)教學(xué);

張鈞瑋（2008-），男，黑龍江哈爾濱人，初中生，研究方向：物理實(shí)驗(yàn).

1 用Oscilloscope代替?zhèn)鹘y(tǒng)示波器

在學(xué)習(xí)聲學(xué)知識時(shí)，分析聲波圖形是初中生必須掌握的技能.而想分析聲波圖形，就要借助示波器.如圖1所示是教科版物理教材第三章第二節(jié)“樂音的三個(gè)特征”這一節(jié)課中提到的示波器.該設(shè)備搬運(yùn)沉重，易損壞，造價(jià)不菲，學(xué)生用其分組實(shí)驗(yàn)不太方便.而且該設(shè)備連接調(diào)試復(fù)雜，剛接觸物理的初中生想要熟練運(yùn)用，有很大困難.而智能手機(jī)的普及帶來福音，一款名為Oscilloscope的示波器軟件（如圖2所示）充分利用手機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，對著麥克風(fēng)輸入聲音，便可在屏幕上看到對應(yīng)的波形圖.教師在授課時(shí)，還可將手機(jī)畫面同步到電子白板上，課堂效果很好.

教材中利用示波器主要是想通過聲波圖形，加強(qiáng)學(xué)生對樂音的三個(gè)特征的影響因素的理解.以下是用音叉作為聲源，再利用Oscilloscope軟件得到的聲波圖形.

1.1 音調(diào)與振動頻率的關(guān)系

用兩個(gè)頻率不同的音叉，分別用大小相同的力敲擊，從圖像中（如圖3、圖4所示）能明顯看出音調(diào)高的音叉對應(yīng)的聲波圖形的波峰數(shù)為10個(gè)，音調(diào)低的音叉對應(yīng)的聲波圖形的波峰數(shù)為9個(gè)，說明音叉振動頻率越高，音調(diào)越高.

1.2 響度與振動幅度的關(guān)系

用同一個(gè)音叉分別重?fù)艉洼p擊（如圖5、圖6所示），重?fù)魰r(shí)和輕擊時(shí)波峰數(shù)都為10個(gè)，由此證明振動頻率相同.但重?fù)魰r(shí)的振幅更大.

1.3 音色不同波形的區(qū)別

教材中列舉一些樂器的聲波圖形（如圖7所示），教師在課堂中可以讓會樂器的同學(xué)現(xiàn)場演奏，驗(yàn)證是否與教材中的相同;還可以檢測人說話時(shí)聲帶發(fā)聲的波形（如圖8所示）.

2 用Frequency Sound Generator作信號源

教科版八年級上冊教材中為學(xué)生們提供一些聲音的頻率（如圖9所示），意在讓學(xué)生對不同聲音的振動頻率有所了解.但一組組數(shù)據(jù)并不形象，學(xué)生對這些頻率值只能機(jī)械性記憶.但如果用Frequency Sound Generator軟件作信號源則能起到更好的教學(xué)效果.Frequency Sound Generator軟件中可以通過調(diào)節(jié)發(fā)出任意頻率的聲音（如圖10所示）.我們可以用其發(fā)出20Hz左右和20000Hz左右的聲音，讓學(xué)生感受人耳的聽聲范圍，從而讓學(xué)生理解不同的人耳聽聲范圍不一樣.

除此之外，教師還可以利用這款軟件，在教材上的音叉共鳴實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì).教材中傳統(tǒng)的音叉共鳴實(shí)驗(yàn)（如圖11所示）用兩個(gè)頻率相同的音叉，通過敲擊使其中一個(gè)音叉引起另一個(gè)音叉共鳴.在實(shí)際操作中，因?yàn)槟芰繐p耗較大，對音叉的品質(zhì)要求也較高，不易出現(xiàn)明顯的共鳴現(xiàn)象.我們用Frequency Sound Generator軟件發(fā)出與音叉頻率相同（440Hz）的聲音（如圖12所示），再把手機(jī)放在音叉的共鳴腔內(nèi)，這樣引起的共鳴現(xiàn)象非常明顯，在教室范圍內(nèi)都清晰可聽.

3 用phophox軟件改良聲源

phophox軟件是這三款軟件中功能最全面的，除了聲學(xué)之外還涉及力學(xué)、光學(xué)等領(lǐng)域.在聲學(xué)實(shí)驗(yàn)中，它除了可以作為聲源，還可以作為調(diào)音器.

如圖13所示為人教版教材中出現(xiàn)的“水瓶琴”實(shí)驗(yàn)，在水瓶中裝入不同質(zhì)量的水，敲擊瓶子，能演奏出一首樂曲.由于很少有家庭擁有調(diào)音器，所以實(shí)際在操作時(shí)，只能靠人耳分辨再反復(fù)地倒水加水，非常不便利.而如果在手機(jī)中裝上phophox軟件，啟用其中的音頻自相關(guān)功能（如圖14所示）對著手機(jī)麥克風(fēng)發(fā)聲便會在屏幕上顯示對應(yīng)的頻率.此時(shí)我們可以邊加水邊敲擊瓶子，同時(shí)觀察屏幕上的頻率值，再結(jié)合音符與頻率的對應(yīng)表（如圖15所示）便可準(zhǔn)確地調(diào)制出“水瓶琴”.

利用音頻自相關(guān)功能，我們還可以在學(xué)生體會聽聲范圍后，再體會人的發(fā)聲范圍.教科版教材給出的人能發(fā)出的聲音范圍是64Hz-1300Hz.但實(shí)際測量值因人而異，在課堂中學(xué)生爭先恐后地測試自己的發(fā)聲范圍，課堂氣氛很好，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性也因此被調(diào)動起來，在此過程中學(xué)生更深層次地體會到音調(diào)與頻率的關(guān)系.除此之外，利用此功能可大大提升“聲音震碎酒杯”實(shí)驗(yàn)的成功率.找一支側(cè)壁較薄的高腳杯，敲擊其發(fā)聲，再用軟件測出其固有頻率.將嘴靠近酒杯，在phophox軟件的監(jiān)測下，不斷調(diào)整發(fā)聲頻率，使其與高腳杯的固有頻率大致相同.提升聲音的響度，高腳杯就會被震碎，效果極其震撼.

我們還可以利用phophox軟件，改進(jìn)上文中提到的音叉共鳴實(shí)驗(yàn).以440Hz的音叉為例，在空啤酒瓶中裝入適量水，用嘴對其吹氣使其發(fā)聲.在phophox軟件的監(jiān)測下調(diào)整水量，使其吹出的聲音大致為440Hz.在音叉旁邊懸掛一個(gè)乒乓球（如圖16所示），將瓶子靠近音叉，在吹響瓶子時(shí)，會發(fā)現(xiàn)乒乓球被彈起，此現(xiàn)象證明音叉在振動，從而說明共振現(xiàn)象.在此實(shí)驗(yàn)中吹氣時(shí)應(yīng)避免直吹音叉，避免因吹氣而引起的乒乓球擾動.也可在瓶子與音叉間加一隔板，這樣更有說服力.在此基礎(chǔ)之上，教師可進(jìn)一步拓展學(xué)生思維，利用身邊的物體讓音叉共振，從而加深學(xué)生對頻率相同的物體會引起共振這一現(xiàn)象的理解.

4 結(jié)語

作為新時(shí)代的物理教師，應(yīng)該致力于家庭化的物理實(shí)驗(yàn)研究.把看起來“高大上”的物理實(shí)驗(yàn)引入家庭，讓學(xué)生利用身邊的器材就能在家中完成實(shí)驗(yàn)，這樣才能真正做到生活的物理化和物理的生活化.培養(yǎng)學(xué)生遇到問題用事實(shí)說話的能力和獨(dú)立解決問題的信念.現(xiàn)如今，隨著信息技術(shù)的高度發(fā)展，手機(jī)成為每個(gè)人的必需品，而手機(jī)軟件的高度開發(fā)，使手機(jī)內(nèi)部的大量傳感器能被我們按需求運(yùn)用.這正好為物理實(shí)驗(yàn)提供便利.教師利用好手機(jī)APP不僅能使實(shí)驗(yàn)效果更卓越、實(shí)驗(yàn)環(huán)境更隨意，而且也會加速孕育出更多的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案.

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（收稿日期：2021-04-08）