“音调与频率关系”的演示实验设计

2015-07-15孙阿明刘静

物理教学探讨 2015年5期

孙阿明++刘静

摘要：低频信号发生器结合贴有仿真的小音箱可以直观地演示“音调与频率的关系”，除此之外，利用此装置还可以演示“声音是由于物体的振动产生的”“声音是一种波”等。

关键词：演示实验；音调；频率；低频信号发生器；音箱

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2015）5-0062-2

在初中物理“声音的特性”的教学中，为了让学生理解声音的高低是由声源的振动快慢决定的，教师要设法演示这样的实验现象：声源振动快慢发生变化的同时，声音的音调也会发生相应的变化。常用的演示方法有这样几种：（1）用硬纸片接触不同转动速度的发音齿轮；（2）用硬纸片（或金属片）以不同的速度在梳子（或锯条）上划过；（3）先后拨动伸出桌边不同长度的弹性尺……这些实验在帮助学生理解音调与频率的关系上起到了一定的作用，但都存在同样的两个问题：（1）由于声源的振动频率变化不大，学生感受到的音调变化不明显；（2）由于人眼存在视觉暂留效应，学生很难直接观察到声源振动速度所发生的变化。教学中用这些演示实验并不能给学生最直观的感受。

演示实验效果的好坏直接关系到学生对所学知识的信任度和理解。为了追求更好的演示效果，我们设计了一套实验装置，成功地对“音调”以及“音调与频率的关系”进行了直观演示，而且还能演示其他一些声现象。

1 实验器材

低频信号发生器（EE1641C型），便携式电脑小音箱，仿真蝴蝶（冰箱贴），BNC转双鳄鱼夹线。

2 演示方法

2.1 演示声音具有“音调”这一特性

如图1所示，将仿真蝴蝶用胶水粘在音箱的纸盆上，用BNC转双鳄鱼夹线将低频信号发生器与音箱相连。通过低频信号发生器的“频率选择”按钮，使信号源的频率在“10”、“100”、“1K”三个档位之间进行切换。这时，音箱既可以发出低沉的声音也可以发出尖锐的甚至是刺耳的声音，音调变化十分显著。由此，学生可以深刻地感受到声音可高可低，具有“音调”这样的特性。

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图1 演示装置

注意事项：实际上，在调节信号源频率时，声音的响度也会发生变化。为了将学生的注意力集中在音调的变化上，可以适当地提高音箱的音量，因为当声强大于85 dB时，耳朵对各个频率声音的灵敏度基本上相等。

2.2 演示“音调与频率的关系”

将低频信号发生器的频率档位选择在“10”，转动“频率微调”旋钮，对信号源频率进行连续调节，可以观察到：蝴蝶振动速度发生变化的同时，声音的音调也发生了变化。蝴蝶振动加快，音调变高；振动变慢，音调变低。这样的实验现象强化了学生的直观感受，为学生作出合理猜想和进一步的实验检验奠定了基础，也有利于学生“频率”概念的建立。

注意事项：一定要在“低频”档对信号进行“连续”调节。声音控制在低频是为了人眼能够观察到振动，对信号频率进行连续调节可以使音调以及振动速度的变化更易察觉。

3 演示用途拓展

此套装置除了可以很好地演示“音调与频率的关系”外，还可以演示其他一些声现象，而且效果也相当不错。

3.1 演示“声音是由于物体的振动产生的”

音箱发出声音的同时，蝴蝶也在振动，音箱不发声，蝴蝶振动停止。借助于这一现象，学生可以猜想到：声音可能是由于物体的振动产生的。

3.2 演示“声音是一种波”

如图2所示，将点燃的蜡烛放在音箱前，在频率较低的情况下，可以清楚地看到烛焰周期性的来回晃动，借助于此实验现象，教师可以引出“声波”的概念。

3.3 演示“响度与振幅的关系”

如图3所示，在小音箱的喇叭口置一透明容器，将橡皮泥捏成的小球放在音箱的纸盆上，调节音箱的音量，可以控制小球的弹跳高度。小球的重量较轻，在不同响度的声音下，小球振动幅度的变化较为明显，这一现象可以演示响度与声源的振动幅度的关系。

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图2 演示“声音是一种波” 图3 演示“响度与振幅的关系”

3.4 演示“次声波” 和“超声波”