聲音的特性實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新研究

劉 彬

(內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市東勝區(qū)培正中學(xué)，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

1 引言

物理是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，學(xué)生通過(guò)觀察和實(shí)驗(yàn)，在學(xué)習(xí)基本概念、基本規(guī)律的同時(shí)，更能提升科學(xué)思維和科學(xué)探究能力，養(yǎng)成科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，而物理實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的主要途徑。

在聲音的特性中，音調(diào)和響度都是較為抽象的概念，學(xué)生對(duì)它們的理解存在很大的困難，對(duì)聲音的高低與聲音的大小很難區(qū)分，單純依靠教師的講解和大量的做題，只能教會(huì)學(xué)生做題，難以認(rèn)識(shí)聲音特性的本質(zhì)。筆者立足于培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，既考慮學(xué)生掌握知識(shí)，又考慮培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從學(xué)生的好奇心入手，通過(guò)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高了教學(xué)效果?！奥曇籼匦缘膶?shí)驗(yàn)改進(jìn)與創(chuàng)新研究”在內(nèi)蒙古自治區(qū)實(shí)驗(yàn)說(shuō)課比賽中榮獲二等獎(jiǎng)。

2 教材分析

聲音的特性是人教版八年級(jí)物理上冊(cè)《聲現(xiàn)象》這一章的核心內(nèi)容，學(xué)生在知道聲音產(chǎn)生和傳播的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探究聲現(xiàn)象，音調(diào)與響度是本節(jié)教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

為了探究音調(diào)與頻率的關(guān)系，教材安排了兩個(gè)演示實(shí)驗(yàn)：一是通過(guò)改變鋼尺伸出桌面的長(zhǎng)度來(lái)探究音調(diào)與物體振動(dòng)快慢的關(guān)系，這個(gè)實(shí)驗(yàn)取材方便，同時(shí)調(diào)動(dòng)學(xué)生的聽(tīng)覺(jué)和視覺(jué)，但作為演示實(shí)驗(yàn)，可視度欠佳；二是通過(guò)敲擊不同頻率的音叉，并將聲音信號(hào)輸入示波器，觀察波形，分析它們的波形有何不同，該實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是直觀形象，能夠激發(fā)學(xué)生的興趣，但也存在不足，不是所有的學(xué)校都配備示波器，學(xué)生對(duì)示波器呈現(xiàn)波形的原理也不清楚，示波器呈現(xiàn)的波形可視度也比較小。

對(duì)于響度與振幅的關(guān)系，教材是利用轉(zhuǎn)換法，將音叉的振動(dòng)轉(zhuǎn)換為乒乓球被彈開(kāi)的幅度。我們知道，乒乓球的振動(dòng)并不等同于音叉的振動(dòng)。能否將音叉的振動(dòng)實(shí)時(shí)反映出來(lái)，將抽象的聲音的特性可視化？

3 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)與創(chuàng)新

3.1 實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解少不了實(shí)驗(yàn)，教師的演示實(shí)驗(yàn)再精彩也替代不了學(xué)生親自動(dòng)手操作。中學(xué)生正處于對(duì)事物充滿好奇和創(chuàng)新思維快速發(fā)展階段，他們喜歡動(dòng)手操作，在初中物理教學(xué)中，教師要盡可能開(kāi)展實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，為學(xué)生提供展示自我的平臺(tái)，使學(xué)生在實(shí)踐中認(rèn)識(shí)、理解物理知識(shí)。

雖然鋼尺實(shí)驗(yàn)作為演示實(shí)驗(yàn)可視度較小，但不能因噎廢食，如果將鋼尺實(shí)驗(yàn)改為學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生自己動(dòng)手探究音調(diào)與頻率、響度與振幅的關(guān)系，就可以解決可視度小的問(wèn)題。需要注意的是，教師要引導(dǎo)學(xué)生掌握操作要領(lǐng)：在撥動(dòng)鋼尺時(shí)，一定要用手指按壓住鋼尺與桌面邊緣接觸的位置，這樣避免鋼尺拍擊桌面發(fā)聲而影響實(shí)驗(yàn)的效果；在探究響度與振幅的關(guān)系實(shí)驗(yàn)時(shí)，鋼尺伸出桌面的長(zhǎng)度不要過(guò)長(zhǎng)，防止因頻率過(guò)低而得不出正確結(jié)論。

3.2 演示實(shí)驗(yàn)教具創(chuàng)新

3.2.1 實(shí)驗(yàn)器材

256 Hz、512 Hz音叉各一個(gè)(音叉?zhèn)让尜N有小鏡片)，兩把硬度完全相同的鋼尺，兩個(gè)塑膠球，紅、綠激光筆各一支，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的四面鏡。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)原理及設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示，用激光筆照射音叉上的小平面鏡，然后再次反射到四面鏡上，這時(shí)我們可以在屏幕上看見(jiàn)一個(gè)光點(diǎn)，敲擊音叉，我們可以看見(jiàn)光點(diǎn)上下振動(dòng)，這時(shí)再將四面鏡旋轉(zhuǎn)起來(lái)，可以看到相當(dāng)于讓光點(diǎn)產(chǎn)生了一種橫向運(yùn)動(dòng)的效果，這樣兩種運(yùn)動(dòng)的疊加就看到了聲音的波形。

圖1

需要說(shuō)明的是，將聲音的聲信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)，本實(shí)驗(yàn)并非首創(chuàng)，從文獻(xiàn)上就可以查到聲音的特性教具和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。首先，已有研究中實(shí)驗(yàn)用到八面鏡，八面鏡制作起來(lái)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，非專業(yè)人員制作的裝置很難達(dá)到預(yù)期的效果，本實(shí)驗(yàn)采用的是四面鏡，制作工藝相對(duì)簡(jiǎn)單。其次，對(duì)于貼在音叉上的小平面鏡盡量選擇薄一點(diǎn)的，避免操作過(guò)程中波形衰減太快，不利于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察。再次，在已有文獻(xiàn)中，對(duì)音調(diào)與頻率的探究沒(méi)有嚴(yán)格做到控制變量，雖然敘述兩次用相同的力度敲擊，但在實(shí)際操作過(guò)程中的力度很難做到一致，這不利于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。其四，已有實(shí)驗(yàn)研究中沒(méi)有同時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)不同音調(diào)的波形，不能對(duì)比不同音調(diào)聲音的波形的差別。為了做到嚴(yán)格控制變量和同時(shí)對(duì)比波形圖，筆者進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，用兩把硬度和外觀完全相同的鋼尺，上端固定橡膠球，將鋼尺下端固定在共鳴箱上，且使鋼尺直立的長(zhǎng)度一致，敲擊音叉時(shí)讓兩把鋼尺彎曲相同的角度，就可以做到敲擊兩支音叉的力度相同，實(shí)物裝置如圖2。最后，選擇電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不易過(guò)快也不易過(guò)慢，以每秒鐘一轉(zhuǎn)左右為宜，這樣呈現(xiàn)的波形很清楚。

圖2

3.2.3 實(shí)驗(yàn)操作

為了讓學(xué)生區(qū)分不同頻率的音叉，這里用到了兩種不同顏色的激光筆。首先讓學(xué)生聆聽(tīng)并辨別反射兩種不同顏色光的音叉發(fā)出聲音的音調(diào)高低。打開(kāi)電動(dòng)機(jī)電源驅(qū)動(dòng)四面鏡，用相同的力度再次敲擊兩支音叉，就會(huì)發(fā)現(xiàn)屏幕上反射出兩種不同頻率音叉發(fā)出聲音的波形圖，學(xué)生能夠清晰地看出音調(diào)高的音叉發(fā)出聲音的波形更加密集(圖3)。

圖3

對(duì)于響度與振幅的關(guān)系，可以這樣探究，由于音叉振動(dòng)的快慢實(shí)時(shí)反映在振動(dòng)的波形上，我們可以敲擊一下音叉就會(huì)看到音叉振動(dòng)的情況，隨著敲擊力度的減弱，聲音越來(lái)越弱，可以看見(jiàn)振幅越來(lái)越小，從而說(shuō)明響度與振幅的關(guān)系。

4 教學(xué)設(shè)計(jì)

教師活動(dòng)學(xué)生活動(dòng)設(shè)計(jì)意圖 1. 音調(diào)與頻率引入:播放女高音和男低音的歌曲片段,聽(tīng)起來(lái)有何區(qū)別?追問(wèn):聲音為何會(huì)有高低的區(qū)別?想想聲音是如何產(chǎn)生的?接下來(lái)通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)探究音調(diào)與振動(dòng)的關(guān)系。學(xué)生實(shí)驗(yàn):分組進(jìn)行鋼尺實(shí)驗(yàn),探究聲音高低與振動(dòng)快慢的關(guān)系。 傾聽(tīng)、思考后回答:聲音高低不同?；卮?聲音是由聲源的振動(dòng)而產(chǎn)生。猜想聲音與振動(dòng)的關(guān)系。 讓學(xué)生對(duì)聲音高低的區(qū)別有感性認(rèn)識(shí)。通過(guò)追問(wèn)引發(fā)學(xué)生思考,溫故知新。鋼尺振動(dòng)部分的長(zhǎng)度鋼尺振動(dòng)的快慢聲音的高低鋼尺全長(zhǎng)的1/4鋼尺全長(zhǎng)的1/2鋼尺全長(zhǎng)的3/4提出問(wèn)題:(1) 鋼尺伸出桌邊的長(zhǎng)短跟振動(dòng)快慢有什么關(guān)系?(2) 聲音高低跟振動(dòng)快慢有什么關(guān)系?引入“頻率”概念,講解頻率的概念、單位、物理意義。初步得出音調(diào)與頻率有關(guān)的結(jié)論。假如聲音能夠“看得見(jiàn)”,那么它會(huì)是什么樣子?不同音調(diào)的聲音會(huì)有怎樣的區(qū)別?接下來(lái)看看演示實(shí)驗(yàn)。簡(jiǎn)單介紹實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)原理。先敲擊兩個(gè)不同頻率的音叉,引導(dǎo)學(xué)生觀看屏幕上兩個(gè)不同顏色的光點(diǎn),請(qǐng)說(shuō)出高低兩個(gè)不同的音叉分別對(duì)應(yīng)哪個(gè)顏色的激光筆。打開(kāi)電動(dòng)機(jī)開(kāi)關(guān),驅(qū)動(dòng)四面鏡旋轉(zhuǎn),用相同的力度敲擊音叉。觀看實(shí)驗(yàn)時(shí)請(qǐng)大家思考以下問(wèn)題:(1) 如何比較兩個(gè)聲音音調(diào)的高低?(2) 兩個(gè)聲音波形有什么區(qū)別?(3) 波形是如何反映音調(diào)高低的?2 響度與振幅聲音的大小與振動(dòng)情況又有怎樣的關(guān)系?請(qǐng)同學(xué)們動(dòng)手實(shí)驗(yàn),尋找答案。撥動(dòng)鋼尺的力度振動(dòng)幅度聲音大小較小力度較大力度實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,仍然要將桌子邊緣的鋼尺部分壓緊,控制變量,保證伸出桌邊的長(zhǎng)度不變。演示實(shí)驗(yàn):探究響度與振幅的關(guān)系。提問(wèn):敲擊音叉,你聽(tīng)到的聲音有何變化?看到的波形有何變化?能得出什么結(jié)論? 按照要求進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn),并思考問(wèn)題。得出結(jié)論:鋼尺伸出桌面的長(zhǎng)度越長(zhǎng),鋼尺振動(dòng)的越慢,音調(diào)越低。提出猜想。將音調(diào)高的音叉與紅色激光筆所發(fā)光束相對(duì)應(yīng),音調(diào)低的音叉與綠色激光筆所發(fā)光束相對(duì)應(yīng)。觀看實(shí)驗(yàn),回答問(wèn)題:音調(diào)高的波形密集,頻率高;音調(diào)低的波形稀疏,頻率低。按要求分組實(shí)驗(yàn),初步感受到:振幅越大,響度越大;振幅越小,響度越小?；卮饐?wèn)題:聽(tīng)到的聲音越來(lái)越弱,看到波形的振幅越來(lái)越小。得出結(jié)論:聲音的振幅越大,響度越大。 激發(fā)學(xué)生的好奇心。為探究音調(diào)的影響因素做鋪墊。將看不見(jiàn)的聲音轉(zhuǎn)化為看得見(jiàn)的光跡,效果震撼。引領(lǐng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn),探究響度與振幅的關(guān)系。

5 結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是物理教學(xué)的重要組成部分，它可以幫助學(xué)生對(duì)物理知識(shí)進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)提高學(xué)生的科學(xué)思維能力。為使學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，教師在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中必須嚴(yán)謹(jǐn)，不能敷衍了事。運(yùn)用演示實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生明白：要觀察什么？觀察到的現(xiàn)象說(shuō)明了什么問(wèn)題？設(shè)計(jì)的追問(wèn)以及問(wèn)題鏈都要符合學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)。在學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)中要讓學(xué)生明確操作的要領(lǐng)，在教師的指導(dǎo)下放手讓學(xué)生探究。