利用智能手機演示聲波的相關實驗

劉銀奎

(樂清市第二中學,浙江 樂清 325600)

隨著技術的高速發展，各種傳感器被不斷地微型化，使得手機能夠集成各種高精度、高靈敏度的傳感器，如：光強度傳感器、加速度傳感器、距離傳感器、重力傳感器、陀螺儀、溫度傳感器、壓力傳感器、聲音傳感器等. 手機已經不再是簡單的通信工具，而是集各種功能于一身的便攜式電子設備,智能手機作為實驗教學的“新型”儀器應用于物理實驗教學中，并且通過“希沃”同屏軟件把手機屏幕上的內容投影至大屏幕上，可激發了學生的科學探究興趣，落實了物理學科核心素養的培養，體現了“從生活走向物理”的新課程理念. 本文以物理學中3個與聲波有關的演示實驗為例，對智能手機在物理實驗教學中的應用進行了有益的探索.

1 用智能手機定量演示多普勒效應

1.1 教材中演示實驗存在的不足

教材中多普勒效應的演示實驗[1]通過學生在區分蜂鳴器靠近(或遠離)時聲音的音調的變化，用耳朵作為測量的工具，主觀性太強，學生很容易把聲音的高低(響度)和音調的高低相混淆.

1.2 對原演示實驗的改進

1.2.1 實驗原理

讓2部手機發生相對運動，利用智能手機的內置聲音傳感器測量接收到的聲波頻率，與相對靜止時測得的聲波頻率進行比較，從而定量地演示聲波的多普勒效應.

1.2.2 實驗器材

智能手機2部，鐵架臺1套，塑料手機外套1個，細線4根.

1.2.3 實驗操作(聲源運動、觀察者不動)

1)取2部智能手機，一部手機A做為“聲源”，另一部手機B作為“觀察者”，2部手機均下載安裝“Phyphox”的APP軟件，該軟件中有播放特定頻率的聲波的功能(音頻發生器)與測量某一聲波的頻率的功能(音頻自相關). 如圖1所示，讓靜止的“聲源手機”A發出4 000 Hz的聲波，讓靜止的“觀察手機”B進行測量，測量結果為3 999.17 Hz.

2)在塑料手機外套的4個角上打孔，并系上4根細線，制成“四線擺”，然后把“聲源手機”A放入外套內，打開“音頻發生器”播放開關，發出4 000 Hz的聲波，讓“聲源手機”A做大擺角的擺動(擺角在40°～45°)[2].

(a)

3)先主觀感受聲波的頻率變化，再在“四線擺”最低點放置“觀察手機”B，如圖2(a)所示，當“聲源手機”A遠離“觀察手機”B時，測得的頻率為3 990.75 Hz，比4 000 Hz低了約10 Hz，如圖2(b)所示[3]；當“聲源手機”A靠近“觀察手機”B時，測得的頻率4 011.86 Hz，比4 000 Hz高了約11 Hz,如圖2(c)所示. 實驗中“觀察手機”B始終通過“希沃”同屏軟件把手機上測量的數據實時地投影至大屏幕上，觀察測量頻率不斷變化，并可隨時按下暫停鍵，顯示某一次頻率的測量結果.

(a)

2 用智能手機演示玻璃酒杯的共振現象

當外界聲音的頻率和酒杯的固有頻率相等時，會使酒杯產生共振，即酒杯的側壁發生強烈的振動，放在杯中的吸管產生強烈的跳動，該實驗能明顯地演示共振現象.

2.1 實驗原理

利用智能手機中的“Phyphox”軟件的“音頻自相關”功能測出紅酒杯發聲的固有頻率，然后利用“Phyphox”軟件中的“音頻發生器”功能發出與紅酒杯固有頻率相同的聲波，并通過2個藍牙小音箱放大聲音，最終使紅酒杯發生劇烈的共振.

2.2 實驗器材

智能手機1部，高腳紅酒杯1只(杯壁較薄，杯肚子大一些)，吸管1根，藍牙小音箱(2只，功率為3 W)，鼠標墊1塊.

2.3 實驗操作

1)打開手機中的“Phyphox”軟件，運行“音頻自相關”，然后用鉛筆敲擊紅酒杯口處，按開始按鈕，測出紅酒杯發出的聲音的固有頻率(約465.42 Hz)，如圖3所示.

圖3 測量酒杯的固有頻率

2)把酒杯放在桌子的鼠標墊上，在杯內放入1根吸管，再把手機跟2只藍牙音箱連接.

3)打開手機上的“Phyphox”軟件，運行“音頻發生器”，頻率設為465.5 Hz，如圖4所示. 點擊播放按鈕，2只小音箱播放聲音，用手把2只音箱靠近酒杯杯口，如圖5所示，發現杯中的小吸管在強烈的跳動，即酒杯發生了共振.

圖4 發出與固有頻率相近的聲波

圖5 共振演示裝置

3 用智能手機演示彈簧縱波的駐波現象

駐波是波的特殊疊加現象，由振幅相同、頻率相同、傳播方向相反的2列簡諧相干波疊加形成. 由于橫波的駐波現象比較容易產生，演示的儀器也較多. 而縱波的駐波現象較難產生，演示縱波的駐波儀器也就比較稀少. 現在利用智能手機、電腦小音箱、輕彈簧就可以很方便地制作縱駐波演示儀，制作簡單，操作方便，現象明顯.

3.1 制作器材

智能手機1部，電腦小音箱1對，螺旋彈簧1根，鐵架臺1套，空礦泉水瓶1只(帶有瓶蓋)，百得膠1支.

3.2 制作過程

3.2.1 振源制作

把小音箱的面板蓋打開，露出揚聲器的紙盤，把礦泉水瓶的瓶口剪下，用百得膠粘在揚聲器的紙盤上，如圖6所示. 在手機上安裝音頻發生器APP. 該軟件可發出頻率可調的正弦聲波，然后通過音頻線接到小音箱上，使揚聲器發聲振動，紙盤振動，帶動礦泉水瓶口振動.

圖6 縱駐波發生演示裝置

3.2.2 彈簧選取

取廢舊的演示用的測力計，將螺旋彈簧取下作為波的傳播介質. 在礦泉水瓶蓋子上鉆小孔，把彈簧的一端與蓋子通過螺母與螺栓牢固連接，如圖6所示.

3.2.3 儀器安裝

把連接有彈簧的蓋子旋緊在礦泉水瓶的瓶口上，然后把彈簧的另一端通過螺母與螺栓固定在鐵架臺的橫梁上，使彈簧伸長至25 cm左右，并調整至豎直狀態，如圖6所示.

3.3 實驗操作

1)打開手機音頻發生器APP，選擇正弦波，然后轉動頻率旋鈕，調至30 Hz左右，如圖7所示，此時可以看到螺旋彈簧在揚聲器的紙盤帶動下而上下振動，同時，當彈簧波碰到鐵架臺橫梁時發生反射現象，反射波與入射波傳播方向相反，振幅和頻率都相同. 因此，入射波和反射波的疊加形成駐波.

2)調節頻率旋鈕，使聲波頻率增大(或減小)，觀察彈簧的振動，當彈簧振動最劇烈時，再緩慢調整聲波頻率，當彈簧波上出現振動劇烈的波腹和幾乎不振動的波節，即產生了駐波現象[4]. 如圖8所示，且2個相鄰的波節之間距離均相等，彈簧總長正好等于相鄰波節間距(半波長)的整數倍. 此時手機上顯示頻率為21.1 Hz，彈簧波上共有2個半波長.

圖7 音頻發生器操作頁面

圖8 頻率不同的彈簧駐波

3)繼續旋轉頻率旋鈕，使聲波頻率增大，當彈簧再次出現劇烈振動時，緩慢調整聲波頻率，此時彈簧波又出駐波現象，如圖8所示，此時手機上顯示頻率為31.2 Hz，彈簧波上共有3個半波長.

4)當聲波的頻率調至42.3 Hz時，彈簧波上共有4個半波長；頻率調至52.8 Hz時，彈簧波上共有5個半波長；頻調率至63.2 Hz，彈簧波上共有6個半波長；調至73.8 Hz，彈簧波上共有7個半波長；調至84.5 Hz，彈簧波上共有8個半波長.

4 結束語

智能手機作為現代通信工具已經與生活密不可分，教師若能結合高中物理教學實際，借助Phyphox軟件將智能手機應用到物理實驗教學中去，既能激發學生的學習興趣，又能引導學生合理使用手機，可謂一舉兩得.