應用“手機APP”改進聲學實驗

曹宇楊 張鈞瑋

摘 要：在初中物理教材中關于聲學部分的實驗一般缺少具體數據作為證據，其原因是所用器材較為落后.而如今智能手機普及到千家萬戶，并且手機中有多個傳感器，教師運用手機APP便可將聲學實驗引入學生家中，不僅操作簡便，趣味性強，適用范圍也廣泛.筆者將以Oscilloscope、Frequency Sound Generator、Phyphox三款手機APP為例，闡述如何用其改進初中物理聲學實驗.

關鍵詞：手機APP;創新實驗;初中物理;實驗改進

中圖分類號：G633.7???? 文獻標識碼：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，中學一級教師，研究方向：物理實驗教學;

張鈞瑋（2008-），男，黑龍江哈爾濱人，初中生，研究方向：物理實驗.

1 用Oscilloscope代替傳統示波器

在學習聲學知識時，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“樂音的三個特征”這一節課中提到的示波器.該設備搬運沉重，易損壞，造價不菲，學生用其分組實驗不太方便.而且該設備連接調試復雜，剛接觸物理的初中生想要熟練運用，有很大困難.而智能手機的普及帶來福音，一款名為Oscilloscope的示波器軟件（如圖2所示）充分利用手機的優點，對著麥克風輸入聲音，便可在屏幕上看到對應的波形圖.教師在授課時，還可將手機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，加強學生對樂音的三個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 音調與振動頻率的關系

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

1.2 響度與振動幅度的關系

用同一個音叉分別重擊和輕擊（如圖5、圖6所示），重擊時和輕擊時波峰數都為10個，由此證明振動頻率相同.但重擊時的振幅更大.

1.3 音色不同波形的區別

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現場演奏，驗證是否與教材中的相同;還可以檢測人說話時聲帶發聲的波形（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生們提供一些聲音的頻率（如圖9所示），意在讓學生對不同聲音的振動頻率有所了解.但一組組數據并不形象，學生對這些頻率值只能機械性記憶.但如果用Frequency Sound Generator軟件作信號源則能起到更好的教學效果.Frequency Sound Generator軟件中可以通過調節發出任意頻率的聲音（如圖10所示）.我們可以用其發出20Hz左右和20000Hz左右的聲音，讓學生感受人耳的聽聲范圍，從而讓學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驗基礎上進行創新設計.教材中傳統的音叉共鳴實驗（如圖11所示）用兩個頻率相同的音叉，通過敲擊使其中一個音叉引起另一個音叉共鳴.在實際操作中，因為能量損耗較大，對音叉的品質要求也較高，不易出現明顯的共鳴現象.我們用Frequency Sound Generator軟件發出與音叉頻率相同（440Hz）的聲音（如圖12所示），再把手機放在音叉的共鳴腔內，這樣引起的共鳴現象非常明顯，在教室范圍內都清晰可聽.

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，除了聲學之外還涉及力學、光學等領域.在聲學實驗中，它除了可以作為聲源，還可以作為調音器.

如圖13所示為人教版教材中出現的“水瓶琴”實驗，在水瓶中裝入不同質量的水，敲擊瓶子，能演奏出一首樂曲.由于很少有家庭擁有調音器，所以實際在操作時，只能靠人耳分辨再反復地倒水加水，非常不便利.而如果在手機中裝上phophox軟件，啟用其中的音頻自相關功能（如圖14所示）對著手機麥克風發聲便會在屏幕上顯示對應的頻率.此時我們可以邊加水邊敲擊瓶子，同時觀察屏幕上的頻率值，再結合音符與頻率的對應表（如圖15所示）便可準確地調制出“水瓶琴”.

利用音頻自相關功能，我們還可以在學生體會聽聲范圍后，再體會人的發聲范圍.教科版教材給出的人能發出的聲音范圍是64Hz-1300Hz.但實際測量值因人而異，在課堂中學生爭先恐后地測試自己的發聲范圍，課堂氣氛很好，學生的學習積極性也因此被調動起來，在此過程中學生更深層次地體會到音調與頻率的關系.除此之外，利用此功能可大大提升“聲音震碎酒杯”實驗的成功率.找一支側壁較薄的高腳杯，敲擊其發聲，再用軟件測出其固有頻率.將嘴靠近酒杯，在phophox軟件的監測下，不斷調整發聲頻率，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，改進上文中提到的音叉共鳴實驗.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聲.在phophox軟件的監測下調整水量，使其吹出的聲音大致為440Hz.在音叉旁邊懸掛一個乒乓球（如圖16所示），將瓶子靠近音叉，在吹響瓶子時，會發現乒乓球被彈起，此現象證明音叉在振動，從而說明共振現象.在此實驗中吹氣時應避免直吹音叉，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.在此基礎之上，教師可進一步拓展學生思維，利用身邊的物體讓音叉共振，從而加深學生對頻率相同的物體會引起共振這一現象的理解.

4 結語

作為新時代的物理教師，應該致力于家庭化的物理實驗研究.把看起來“高大上”的物理實驗引入家庭，讓學生利用身邊的器材就能在家中完成實驗，這樣才能真正做到生活的物理化和物理的生活化.培養學生遇到問題用事實說話的能力和獨立解決問題的信念.現如今，隨著信息技術的高度發展，手機成為每個人的必需品，而手機軟件的高度開發，使手機內部的大量傳感器能被我們按需求運用.這正好為物理實驗提供便利.教師利用好手機APP不僅能使實驗效果更卓越、實驗環境更隨意，而且也會加速孕育出更多的創新實驗方案.

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（收稿日期：2021-04-08）