神奇的“水瓶琴”

易海涛 黄平安

用一套相同的玻璃瓶子,只要适当地在每一个瓶子里盛上深浅不同的水,按水量的多少顺次排列,使它们组成一个完整的音阶,就能敲出悦耳动听的曲子来,故有“音乐瓶”“水瓶琴”之称。这个实验取材方便、操作简单、效果明显,非常适合初中学生在课外进行实验探究和老师课堂教学演示。《义务教育课程标准实验教科书——物理》八年级上册第一章“声现象”中的“声音的特性”这一节“动手动脑学物理”就介绍了这个实验。教科书中这样写道:“8个相同的水瓶中灌入不同高度的水,敲击它们,就能发出“1,2,

3,4,5,6,7,i”的声音来。并配有下图所示的图片。

图1. 3-8水瓶琴

根据文字介绍和图片展示,许多学生和老师这样理解为:左边水最少的瓶子发出的声音音调最低,右边水最多的瓶子发出的声音音调最高。而且许多参考书上的该题的答案也是这样。但本人在做这个实验时,听到声音的高低却正好相反,左边的声音的音调最高,右边的声音的音调最低。换用各种不同的啤酒瓶、吊针瓶、杯子等进行实验,都得到相同的结论。

对此,笔者查阅了大量资料,也是有两种答案,究竟如何解释这个实验现象呢?解决这个问题的关键是:敲瓶子时发出的声音是由瓶子和水振动产生的还是由瓶中的空气柱振动产生的?

还是上图的器材,我们用同样的力依次“吹”这八个瓶子的瓶口,也会发出不同音调的声音,从左到右音调逐渐升高,这时是瓶内的空气在振动发声,越往右内部的空气柱越短,空气柱振动发声的音调也就越高。而这一点恰好同课本上的一个演示实验相似:同一把尺,伸出桌面越短,它振动时的音调越高。日常生活中也可找到许多相同的实例,同一物体,短一些或者细一些振动时发声的音调就高。如琴弦、橡皮筋、灌开水等。

再用细棒(敲音叉的橡胶锤也可)以同样的力去“敲”这八个瓶子的同一位置,也会发出不同音调的声音,从左到右音调逐渐降低,这时是瓶子和水在振动发声,越往右瓶子和水的质量越大,振动发声的音调也越低。杯子所发出来的声音,主要是由于杯壁的振动。杯子的形状、大小虽然相同,但盛上深浅不同的水后,相当于改变了杯壁的质量,因此发出的音调也就不同。盛水越满,质量越大,音调也就越低。日常生活中也有相同的例子,如厚铁板在相同条件振动时比薄铁板发声的音调要低。

认真做了上面两个实验后,相信你也看出了原因,“吹”时是空气柱在振动,“敲”时是瓶和水在振动,声源不同发声情况也就不同了。所以笔者认为:如上图所示,8个相同的水瓶中灌入不同高度的水,吹瓶口时,从左到右音调逐渐升高;敲瓶子时,从左到右音调逐渐降低。

作者单位:1.武汉市东西湖区三店学校 2.湖北省孝感市孝南区肖港初中