DIS實驗系統在聲現象教學中的應用

馬 靜 楊萬琴 張軼炳

(寧夏大學物理與電子電氣工程學院,寧夏 銀川 750021)

·物理實驗·

DIS實驗系統在聲現象教學中的應用

馬 靜 楊萬琴 張軼炳*

(寧夏大學物理與電子電氣工程學院,寧夏 銀川 750021)

本文采用DIS數字化信息系統對聲音的產生及聲音的特性進行了研究．在探究“聲音是由物體振動產生的”過程中,除了運用尺子振動實驗外,還利用音叉與聲音傳感器相結合的實驗,進一步探究“振動”的概念,從而理解聲音的產生．在按照初中物理教材的實驗安排,把音叉發出的聲音信號輸入計算機的基礎上,本文做了一個改進,選擇高腳杯替代音叉,改變高腳杯的音調,從而得出不同頻率的波形圖．除此之外,本文在探究響度的影響因素也利用了DIS數字化信息系統,實驗結果表明,DIS實驗系統的應用既提高了實驗的直觀性、可靠性,同時也增加了實驗的有趣性．

聲音傳感器; 音調; 響度; 周期

1 引言

新課程標準明確指出:“物理學由實驗和理論兩部分組成．物理學實驗是人類認識世界的一種重要活動,是進行科學研究的基礎．”物理實驗可以培養學生觀察、動手、動腦的能力,其最重要的一個特點是加強學生對知識的理解和鞏固,但是把物理實驗現象轉換為物理學的原理是一個艱難的過程,如果轉換不到位,實驗就成了學生看熱鬧的過程,實驗過后并不能幫助學生理解概念,實驗和理論成“兩張皮”,概念仍然是死記硬背．例如振動的概念,振動是指物體周期性的往復運動．如果不通過實驗讓學生理解“周期”,那么就不可能真正理解振動的概念．

將數字化信息系統與物理實驗教學結合,就能夠實現物理實驗現象與物理學原理的轉換．“數字化信息系統”簡稱“DIS”,是英文“Digital Information System”的縮寫,它是一個用傳感器獲取信息,經數據采集器后由計算機對信息進行數據和圖形處理的實驗研究平臺,如圖1所示．利用數字化系統把一些不明顯的現象顯性化,使得現象更容易被觀察到．下面,筆者利用 DIS 聲音傳感器開發幾個與聲音有關的創新實驗,以實現信息技術與學科教學的有機整合．

圖1 DIS系統框圖

2 利用聲音傳感器探究聲音是由物體振動產生的

2.1 學習難點分析

聲音是由物體的振動產生的．振動是指物體的周期性往復的運動,這里振動和周期在生活中常常說到,但物理學中振動和周期有著嚴格的定義,需要學生將日常用語轉換為物理術語．要理解振動,首先要理解周期．傳統教學是利用撥動尺子讓學生聽聲音的同時觀察尺子的運動,但尺子運動很快,而且會迅速衰減,很多學生仍然無法理解周期和振動的概念,只能死記硬背．另外周期和頻率是物體運動一種性質的兩種表示,所以理解了周期就能理解頻率,對后面學習音調有很大幫助．

2.2 探究過程

2.2.1 用撥動尺子實驗初步理解振動的概念

圖2 尺子振動實驗

首先將鋼尺伸出桌邊一段距離,然后用力向下撥動鋼尺,仔細觀察尺子的運動情況,如圖2所示．

分析尺子的運動:(假設尺子的運動狀態為理想狀態,振幅沒有衰減)

取尺子的頂點在水平位置時為O點,由圖3可知,尺子第1次運動速度方向向下,運動最大距離為|-a|;第2次運動從反向最遠處運動到原點O處,速度方向向上;第3次運動速度方向向上,并且運動最大距離為|a|;第4次運動從正向最遠處運動到原點,速度方向向下;第5次運動速度方向向下,運動最大距離為|-a|……可以發現,從第5次運動重復進行第1次運動,第6次運動重復第2次運動……我們把第1、2、3、4次運動叫一次全振動,第5次以后的重復運動叫做往復運動,而把完成一次全振動的時間叫做一個周期．

(A) 尺子第1次運動.

(B) 尺子第2次運動.

(C) 尺子第3次運動.

(D) 尺子第4次運動.

圖3

通過實驗可以看出,尺子在做一個周期性的往復運動,即尺子在振動．

尺子的振動較快,并且振動幅度在不斷衰減,還有受到撥動快慢、阻力等因素的影響,所以學生不能清楚地觀察到尺子的運動細節,從而導致不能很好地理解“周期”是“往復運動”一次的時間．

因此為了克服實驗誤差,理解物理術語周期和頻率,物理實驗中有專門設計的儀器——音叉,每個音叉有固定的頻率,有配套的共鳴箱和敲擊錘．但由于音叉振動也很快,如250 Hz的音叉,每秒鐘重復振動250次,用肉眼也很難看到周期性的變化．因此可以利用聲音傳感器分析音叉振動的圖形,把實驗現象顯性化,幫助學生理解“振動”的概念．

2.2.2 用傳感器實驗幫助學生建構“聲音是由物體的振動產生的”概念

圖4 實驗儀器連接

(1) 實驗儀器介紹.

DIS數字化信息系統,計算機,音叉．

(2) 儀器的組裝.

將儀器按照圖4所示的方法連成閉合回路,通過改變發聲體的種類,靠近聲音傳感器,通過數據采集器在電腦上繪制波形圖．

(3) 實驗方案.

首先,讓學生將發聲與電腦屏幕中圖形變化聯系起來．學生們說話、敲擊桌子等,學生會發現,任何發聲都會導致屏幕中波形的變化,說明傳感器實驗可以研究發聲規律的．

其次,敲擊音叉,讓學生觀察,學生會發現敲擊音叉,波形很有規律,告訴學生,音叉是最簡單的一種振動,我們物理學就從研究最簡單的振動開始,前面觀察到的那些復雜波形事實上都是若干簡單振動的合成．

第三,詳細分析音叉發聲的振動圖形．根據圖4所示連接好實驗裝置,敲擊音叉,然后再使音叉振動停止,數據采集器將數據傳輸給計算機,可以得到音叉發聲和音叉停止發聲曲線,如圖5、圖6所示．

圖5 音叉發聲

圖6 音叉停止發聲

這個圖形是物理學中研究振動的一種方法,可以直觀地表現出振動的周期、頻率、振幅等概念．

分析圖形:圖7截取了部分音叉振動圖像,圖中①②③④ 位置為音叉完成一次全振動所在位置,周期為T,圖7經歷了4次全振動,即時間為4T,我們把最大振動幅度叫做振幅,由圖7可知音叉的振幅為A．周期表示完成一次全振動的時間,頻率代表1s內物體振動的次數,由此可知,頻率與周期成倒數關系．由圖5可知音叉的振動頻率為527.3Hz,所以音叉振動周期約為0.0019s．由振動圖像可以看出,音叉的運動是周期性的往復運動,即音叉在持續振動,所以音叉會發出聲音．即物體振動就能發出聲音;物體振動停止,發聲停止,由此可得出實驗結論:聲音是由物體振動產生的．

圖7 音叉振動圖像

3 利用傳感器實驗探究聲音的特性

3.1 探究音調與頻率的關系

頻率表示物體振動的快慢,并且音調的高低是由物體振動頻率決定的．傳統實驗用鋼尺作為教具,通過撥動鋼尺,改變鋼尺伸出桌邊的長度來改變鋼尺振動的快慢,能夠得出音調的高低與物體振動快慢的關系．但是,鋼尺實驗的缺陷在于:學生并不能清楚的觀察到鋼尺振動快慢的變化,更不能清楚地理解音調與頻率之間的關系．由此,改進實驗:利用高腳杯發聲頻率單一這一特點,摩擦裝有不同高度水的高腳杯杯口,通過數據采集器將數據傳輸給計算機,可以分別得到音調高低不同的高腳杯發聲振動曲線,如圖8、圖9所示； 不同高度水的高腳杯發聲的音調、辨音度等如表1所示.

圖8 裝水高度5.5 cm的高腳杯(音調低)

圖9 空高腳杯(音調高)

杯內水的高度/cm音調頻率/Hz幅度/mV5.5低1308.6600-35004較低1660.2600-35002較高1796.9600-35000高1816.4600-3500

由圖8，9和表1可知,高腳杯內裝水越多,就說明杯內空氣柱振動的高度就越低,此時振動頻率就越小,從而高腳杯的發聲音調就越低;反之,高腳杯內裝水越少,杯內空氣柱振動的高度就越高,此時振動頻率就越大,從而高腳杯的發聲音調就越高．與高腳杯有相似的發音原理的樂器一般是管樂,例如薩克斯、笛子、口琴等．

3.2 探究影響響度的因素

(1) 探究響度與振幅的關系.

人教版八年級物理上冊34頁“演示實驗”欄目中介紹了利用轉化法來探究響度與振幅的關系:將正在發聲的音叉輕觸系在細繩上的乒乓球,觀察乒乓球被彈開的幅度,筆者認為這樣的傳統實驗不能直觀地向學生展示“響度與振幅的關系”,利用聲音傳感器更有利于學生理解“振幅越大,響度越大”．選擇頻率為527.3 Hz的音叉,輕敲音叉、重敲音叉,數據采集器采集到信息,傳輸給計算機,分別得到響度大小不同的音叉振動曲線,如圖10、圖11所示，敲擊音叉力度不同時音叉發聲的響度、振幅、頻率等如表2所示.

圖10 輕敲音叉(響度小)

圖11 重敲音叉(響度大)

敲擊音叉力度頻率/Hz幅度/mV響度小527.31500-2500小較小527.31300-2700較小較大527.3800-3200較大大527.3600-3400大

由圖10、11和表2可知,當音叉振動頻率相同時,敲擊音叉的力度越大,振幅就越大,從而音叉發出的聲音響度就越大;相反的,敲擊音叉的力度越小,振幅就越小,從而音叉發出的聲音響度就越小．由此可得，響度的大小與振幅有關系,并且振幅越大,響度越大;振幅越小,響度越小．

聲音從聲源處產生,通過介質傳播到人耳,所以人耳聽到的聲音是否響亮,除了跟發聲體發聲時的響度有關外,還與人耳距離發聲體遠近有關．

(2) 探究響度與發聲體遠近的關系.

選取頻率單一的發聲體,控制發聲體發聲的音調相同,改變發聲體與聲音傳感器之間的距離,觀察振幅,即響度的大小,如圖12、圖13所示，具體參數如表3所示．

圖12 距離較遠

圖13 距離較近

距離/cm頻率/Hz幅度/mV響度51191.4600-3400大101191.41000-2900較大151191.41100-2800較小201191.41400-2500小

由圖12，13和表3可知,頻率單一的發聲體距離聲音傳感器越遠,波形圖的振幅越小,即響度越小;發聲體距離聲音傳感器越近,波形圖的振幅越大,即響度越大．由此可知，接收處聲音響度的大小與距離發聲體的遠近有關,并且距離越近,響度越大;距離越遠,響度越小．

(3) 探究響度與分散程度的關系.

如圖14所示,制作錐形紙筒并且連接實驗儀器．利用聲音傳感器分別收集有紙筒和沒有紙筒的蜂鳴器發聲波形圖,如圖15、圖16所示，具體參數如表4所示．

圖14 實驗儀器連接示意圖

圖15 有紙筒波形圖

圖16 無紙筒波形圖

狀態距離/cm頻率/Hz幅度/mV響度有紙筒251191.4700-3300大無紙筒251191.41200-2700小

選取頻率相同的蜂鳴器,讓其距離聲音傳感器的距離始終保持一致,由圖15，16和表4可知,當有紙筒時,振幅更大,即響度更大,所以,響度的大小與分散程度有關系．

4 結束語

從實驗結果上可以看出,利用DIS數字化信息系統可以更好地將實驗現象轉化為物理圖像,其特點是現象更直觀,學生可以在電腦顯示屏上直觀地看到聲音的波形,可以比較不同音調不同的振動頻率,可以對比不同響度不同的振動幅度,這不僅解決了學生肉眼看不清聲源振動的問題,而且更明確地讓學生了解到聲音是一種波．用DIS聲音傳感器開展教學,能使學生對音調、響度等概念的了解更加深入科學．

1 普通初中物理課程標準[M]. 北京:人民教育出版社,2011.

2 鈄方健.基于DIS實驗培養學生的科學思維能力[J].物理教師，2016(12)：45-48.

3 劉先鋒.基于DIS實驗的“超重與失重”教學設計[J].物理教師，2015(8)：21-23.

4 郁志蕓. 以電腦示波代替人眼判斷的數字化實驗案例——以探究聲音的特性為例[J]. 物理教學, 2016(7):27-29.

2017-03-05)

本文受寧夏高等學校科研項目(項目編號： NGY2016077)資助.

* 通訊作者： 張軼炳，女，碩士，教授，主要研究方向為物理教育.