DIS实验系统在声现象教学中的应用

马 静 杨万琴 张轶炳

(宁夏大学物理与电子电气工程学院,宁夏 银川 750021)

·物理实验·

DIS实验系统在声现象教学中的应用

马 静 杨万琴 张轶炳*

(宁夏大学物理与电子电气工程学院,宁夏 银川 750021)

本文采用DIS数字化信息系统对声音的产生及声音的特性进行了研究．在探究“声音是由物体振动产生的”过程中,除了运用尺子振动实验外,还利用音叉与声音传感器相结合的实验,进一步探究“振动”的概念,从而理解声音的产生．在按照初中物理教材的实验安排,把音叉发出的声音信号输入计算机的基础上,本文做了一个改进,选择高脚杯替代音叉,改变高脚杯的音调,从而得出不同频率的波形图．除此之外,本文在探究响度的影响因素也利用了DIS数字化信息系统,实验结果表明,DIS实验系统的应用既提高了实验的直观性、可靠性,同时也增加了实验的有趣性．

声音传感器; 音调; 响度; 周期

1 引言

新课程标准明确指出:“物理学由实验和理论两部分组成．物理学实验是人类认识世界的一种重要活动,是进行科学研究的基础．”物理实验可以培养学生观察、动手、动脑的能力,其最重要的一个特点是加强学生对知识的理解和巩固,但是把物理实验现象转换为物理学的原理是一个艰难的过程,如果转换不到位,实验就成了学生看热闹的过程,实验过后并不能帮助学生理解概念,实验和理论成“两张皮”,概念仍然是死记硬背．例如振动的概念,振动是指物体周期性的往复运动．如果不通过实验让学生理解“周期”,那么就不可能真正理解振动的概念．

将数字化信息系统与物理实验教学结合,就能够实现物理实验现象与物理学原理的转换．“数字化信息系统”简称“DIS”,是英文“Digital Information System”的缩写,它是一个用传感器获取信息,经数据采集器后由计算机对信息进行数据和图形处理的实验研究平台,如图1所示．利用数字化系统把一些不明显的现象显性化,使得现象更容易被观察到．下面,笔者利用 DIS 声音传感器开发几个与声音有关的创新实验,以实现信息技术与学科教学的有机整合．

图1 DIS系统框图

2 利用声音传感器探究声音是由物体振动产生的

2.1 学习难点分析

声音是由物体的振动产生的．振动是指物体的周期性往复的运动,这里振动和周期在生活中常常说到,但物理学中振动和周期有着严格的定义,需要学生将日常用语转换为物理术语．要理解振动,首先要理解周期．传统教学是利用拨动尺子让学生听声音的同时观察尺子的运动,但尺子运动很快,而且会迅速衰减,很多学生仍然无法理解周期和振动的概念,只能死记硬背．另外周期和频率是物体运动一种性质的两种表示,所以理解了周期就能理解频率,对后面学习音调有很大帮助．

2.2 探究过程

2.2.1 用拨动尺子实验初步理解振动的概念

图2 尺子振动实验

首先将钢尺伸出桌边一段距离,然后用力向下拨动钢尺,仔细观察尺子的运动情况,如图2所示．

分析尺子的运动:(假设尺子的运动状态为理想状态,振幅没有衰减)

取尺子的顶点在水平位置时为O点,由图3可知,尺子第1次运动速度方向向下,运动最大距离为|-a|;第2次运动从反向最远处运动到原点O处,速度方向向上;第3次运动速度方向向上,并且运动最大距离为|a|;第4次运动从正向最远处运动到原点,速度方向向下;第5次运动速度方向向下,运动最大距离为|-a|……可以发现,从第5次运动重复进行第1次运动,第6次运动重复第2次运动……我们把第1、2、3、4次运动叫一次全振动,第5次以后的重复运动叫做往复运动,而把完成一次全振动的时间叫做一个周期．

(A) 尺子第1次运动.

(B) 尺子第2次运动.

(C) 尺子第3次运动.

(D) 尺子第4次运动.

图3

通过实验可以看出,尺子在做一个周期性的往复运动,即尺子在振动．

尺子的振动较快,并且振动幅度在不断衰减,还有受到拨动快慢、阻力等因素的影响,所以学生不能清楚地观察到尺子的运动细节,从而导致不能很好地理解“周期”是“往复运动”一次的时间．

因此为了克服实验误差,理解物理术语周期和频率,物理实验中有专门设计的仪器——音叉,每个音叉有固定的频率,有配套的共鸣箱和敲击锤．但由于音叉振动也很快,如250 Hz的音叉,每秒钟重复振动250次,用肉眼也很难看到周期性的变化．因此可以利用声音传感器分析音叉振动的图形,把实验现象显性化,帮助学生理解“振动”的概念．

2.2.2 用传感器实验帮助学生建构“声音是由物体的振动产生的”概念

图4 实验仪器连接

(1) 实验仪器介绍.

DIS数字化信息系统,计算机,音叉．

(2) 仪器的组装.

将仪器按照图4所示的方法连成闭合回路,通过改变发声体的种类,靠近声音传感器,通过数据采集器在电脑上绘制波形图．

(3) 实验方案.

首先,让学生将发声与电脑屏幕中图形变化联系起来．学生们说话、敲击桌子等,学生会发现,任何发声都会导致屏幕中波形的变化,说明传感器实验可以研究发声规律的．

其次,敲击音叉,让学生观察,学生会发现敲击音叉,波形很有规律,告诉学生,音叉是最简单的一种振动,我们物理学就从研究最简单的振动开始,前面观察到的那些复杂波形事实上都是若干简单振动的合成．

第三,详细分析音叉发声的振动图形．根据图4所示连接好实验装置,敲击音叉,然后再使音叉振动停止,数据采集器将数据传输给计算机,可以得到音叉发声和音叉停止发声曲线,如图5、图6所示．

图5 音叉发声

图6 音叉停止发声

这个图形是物理学中研究振动的一种方法,可以直观地表现出振动的周期、频率、振幅等概念．

分析图形:图7截取了部分音叉振动图像,图中①②③④ 位置为音叉完成一次全振动所在位置,周期为T,图7经历了4次全振动,即时间为4T,我们把最大振动幅度叫做振幅,由图7可知音叉的振幅为A．周期表示完成一次全振动的时间,频率代表1s内物体振动的次数,由此可知,频率与周期成倒数关系．由图5可知音叉的振动频率为527.3Hz,所以音叉振动周期约为0.0019s．由振动图像可以看出,音叉的运动是周期性的往复运动,即音叉在持续振动,所以音叉会发出声音．即物体振动就能发出声音;物体振动停止,发声停止,由此可得出实验结论:声音是由物体振动产生的．

图7 音叉振动图像

3 利用传感器实验探究声音的特性

3.1 探究音调与频率的关系

频率表示物体振动的快慢,并且音调的高低是由物体振动频率决定的．传统实验用钢尺作为教具,通过拨动钢尺,改变钢尺伸出桌边的长度来改变钢尺振动的快慢,能够得出音调的高低与物体振动快慢的关系．但是,钢尺实验的缺陷在于:学生并不能清楚的观察到钢尺振动快慢的变化,更不能清楚地理解音调与频率之间的关系．由此,改进实验:利用高脚杯发声频率单一这一特点,摩擦装有不同高度水的高脚杯杯口,通过数据采集器将数据传输给计算机,可以分别得到音调高低不同的高脚杯发声振动曲线,如图8、图9所示； 不同高度水的高脚杯发声的音调、辨音度等如表1所示.

图8 装水高度5.5 cm的高脚杯(音调低)

图9 空高脚杯(音调高)

杯内水的高度/cm音调频率/Hz幅度/mV5.5低1308.6600-35004较低1660.2600-35002较高1796.9600-35000高1816.4600-3500

由图8，9和表1可知,高脚杯内装水越多,就说明杯内空气柱振动的高度就越低,此时振动频率就越小,从而高脚杯的发声音调就越低;反之,高脚杯内装水越少,杯内空气柱振动的高度就越高,此时振动频率就越大,从而高脚杯的发声音调就越高．与高脚杯有相似的发音原理的乐器一般是管乐,例如萨克斯、笛子、口琴等．

3.2 探究影响响度的因素

(1) 探究响度与振幅的关系.

人教版八年级物理上册34页“演示实验”栏目中介绍了利用转化法来探究响度与振幅的关系:将正在发声的音叉轻触系在细绳上的乒乓球,观察乒乓球被弹开的幅度,笔者认为这样的传统实验不能直观地向学生展示“响度与振幅的关系”,利用声音传感器更有利于学生理解“振幅越大,响度越大”．选择频率为527.3 Hz的音叉,轻敲音叉、重敲音叉,数据采集器采集到信息,传输给计算机,分别得到响度大小不同的音叉振动曲线,如图10、图11所示，敲击音叉力度不同时音叉发声的响度、振幅、频率等如表2所示.

图10 轻敲音叉(响度小)

图11 重敲音叉(响度大)

敲击音叉力度频率/Hz幅度/mV响度小527.31500-2500小较小527.31300-2700较小较大527.3800-3200较大大527.3600-3400大

由图10、11和表2可知,当音叉振动频率相同时,敲击音叉的力度越大,振幅就越大,从而音叉发出的声音响度就越大;相反的,敲击音叉的力度越小,振幅就越小,从而音叉发出的声音响度就越小．由此可得，响度的大小与振幅有关系,并且振幅越大,响度越大;振幅越小,响度越小．

声音从声源处产生,通过介质传播到人耳,所以人耳听到的声音是否响亮,除了跟发声体发声时的响度有关外,还与人耳距离发声体远近有关．

(2) 探究响度与发声体远近的关系.

选取频率单一的发声体,控制发声体发声的音调相同,改变发声体与声音传感器之间的距离,观察振幅,即响度的大小,如图12、图13所示，具体参数如表3所示．

图12 距离较远

图13 距离较近

距离/cm频率/Hz幅度/mV响度51191.4600-3400大101191.41000-2900较大151191.41100-2800较小201191.41400-2500小

由图12，13和表3可知,频率单一的发声体距离声音传感器越远,波形图的振幅越小,即响度越小;发声体距离声音传感器越近,波形图的振幅越大,即响度越大．由此可知，接收处声音响度的大小与距离发声体的远近有关,并且距离越近,响度越大;距离越远,响度越小．

(3) 探究响度与分散程度的关系.

如图14所示,制作锥形纸筒并且连接实验仪器．利用声音传感器分别收集有纸筒和没有纸筒的蜂鸣器发声波形图,如图15、图16所示，具体参数如表4所示．

图14 实验仪器连接示意图

图15 有纸筒波形图

图16 无纸筒波形图

状态距离/cm频率/Hz幅度/mV响度有纸筒251191.4700-3300大无纸筒251191.41200-2700小

选取频率相同的蜂鸣器,让其距离声音传感器的距离始终保持一致,由图15，16和表4可知,当有纸筒时,振幅更大,即响度更大,所以,响度的大小与分散程度有关系．

4 结束语

从实验结果上可以看出,利用DIS数字化信息系统可以更好地将实验现象转化为物理图像,其特点是现象更直观,学生可以在电脑显示屏上直观地看到声音的波形,可以比较不同音调不同的振动频率,可以对比不同响度不同的振动幅度,这不仅解决了学生肉眼看不清声源振动的问题,而且更明确地让学生了解到声音是一种波．用DIS声音传感器开展教学,能使学生对音调、响度等概念的了解更加深入科学．

1 普通初中物理课程标准[M]. 北京:人民教育出版社,2011.

2 钭方健.基于DIS实验培养学生的科学思维能力[J].物理教师，2016(12)：45-48.

3 刘先锋.基于DIS实验的“超重与失重”教学设计[J].物理教师，2015(8)：21-23.

4 郁志芸. 以电脑示波代替人眼判断的数字化实验案例——以探究声音的特性为例[J]. 物理教学, 2016(7):27-29.

2017-03-05)

本文受宁夏高等学校科研项目(项目编号： NGY2016077)资助.

* 通讯作者： 张轶炳，女，硕士，教授，主要研究方向为物理教育.