用虚拟示波器和音叉改进音调和频率关系实验

刘凤珍 吴先球

(华南师范大学物理与电信工程学院,广东广州 510006)

1 引言

人教版八年级物理第1章第3节“声音的特性”一节中,在探究音调和频率关系的演示实验中,将一把钢尺紧按在桌面上,一端伸出桌面,拨动钢尺,听它振动发出的声音.改变钢尺伸出桌面的长度,再次拨动,比较两次钢尺振动的快慢和音调的关系.[1]这个演示实验的器材是学生的身边之物,易引起学生的操作兴趣,激发学生积极参与和探究的兴趣,但在实验中发现,钢尺发声比较小,且音调的选择范围比较小,音调差异不明显.因此,对实验进行了改进.

2 实验方法

实验器材:用频率不同的两个音叉(440 Hz和 256 Hz)、麦克风、电脑和声卡虚拟示波器[2](作者:严宇亮,可在网络上免费下载,附有使用说明).

实验音叉振动发出的声音比较大,班上所有学生都可以听到,且音叉频率差异比较大,音调差异也比较大,易于学生区分不同音调.用麦克风和计算机声卡采集声音信号,通过虚拟示波器观察音叉振动发出声音的波形,观察音叉振动的频率和振幅.

实验过程:实验装置连接示意图如图1(a),实物图如图1(b)所示.

图1

(1)按图连接好实验装置;

(2)在音量控制面板的录音属性中选择“麦克风”一项和合适的音量;

(3)打开声卡虚拟示波器,在面板上选择合适的参数(增益、衰减、基准线和时基);

(4)敲打音叉即可在示波器上观察到音叉振动发出声音的波形.

(5)点击虚拟示波器面板上的暂停后可以保存数据图像.

3 实验结果

为了便于比较实验结果,坐标分度设好后不再更改.横轴为时间,分度是每格 1 270 μ s,有 10格;纵轴为幅度,分度是每格0.1 V.

敲打频率为 440 Hz的音叉,观察得到如图2(a)、(b)所示的波形.敲打频率为256 Hz的音叉,观察得到如图2(c)、(d)所示的波形.

图2

图2(a)、(b)为敲击频率 440 Hz音叉得到的波形,(a)为声音比较响亮时的波形,(b)为声音比较弱时候的波形;图2(c)、(d)为敲击频率256Hz音叉得到的波形,(c)为声音比较响亮时的波形,(d)为声音比较弱时候的波形.比较(a)、(c)可知:(a)声音频率大于(c)声音频率,结合听到声音的音调,可形象感知:当声音频率比较大的时候,音调比较高;当声音频率比较小的时候,音调比较低.比较(a)、(b)和比较(c)、(d)可以看到,当声音幅度比较大的时候,声音比较响,当声音幅度比较小的时候,声音比较弱.课堂上,还可以用麦克风采集其他不同的声音信号,加深学生对声音特性的理解.

4 结论

为了让学生形象地理解音调和频率,本文改进了人教版教材中所用音调和频率关系演示的实验方法,用音叉振动发出声音信号,通过声卡采集声音信号,虚拟示波器显示信号波形,演示音调和频率的关系.

本文提出的实验方法有以下特点:

(1)实验器材取材容易.采用计算机自带的声卡作为数据采集器,采用免费的虚拟示波器软件.

(2)实验演示效果明显.音叉声音响亮,班上学生都可以听到,而且音叉频率差异比较大,声音音调差异也比较大,易于学生区分不同的音调.虚拟示波器显示的波形可以通过大屏幕投影给大家看,学生观察音叉声音的波形,结合听到声音的音调,可形象感知音调和频率的关系,还可看到声音响度和幅度的关系.

1 课程教材研究所,物理课程教材研究开发中心.义务教育课程标准实验书物理八年级上册.北京:人民教育出版社,2006.

2 严宇亮.把电脑变成示波器——介绍一款基于声卡虚拟仪器软件.电子制作,2002(9).

3 王珍宁,吴先球,胡颖舒,等.基于声卡的数据采集器及其在物理教学中的应用.中小学信息技术教育,2006(10).

4 中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准(实验).北京:人民教育出版社,2003.