基于实验探究的“声音的特性”教学设计

2018-04-25喻梅琴张轶炳

物理教师 2018年4期

马静喻梅琴张轶炳*

(1. 宁夏大学物理与电子电气工程学院，宁夏银川 750021； 2. 宁夏银川市第六中学，宁夏银川 750021)

1 引言

教育部新颁发的《普通高中物理课程标准》中提出:物理核心素养是学生在接受物理过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力,是学生通过物理学习内化的带有物理学科特性的品质．物理核心素养主要由“物理观念”、“科学思维”、“科学探究”、“科学态度与责任”等4个方面的要素构成．其中,提出科学探究的目的就是为了培养学生的设计实验能力、获取处理信息的能力以及会利用证据得出结论、做出解释的能力,意在提醒教师从本质上培养学生的科学思维．物理探究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“音调”与“响度”的概念,音调是指声音的高低,而“响度”是指声音的大小,如果不让学生通过探究实验去理解“音调”与“响度”的概念,就很容易混淆,从而导致概念错误．

2 “声音的特性”教学设计

“声音的特性”是在学生完成声音的产生与传播等物理知识的基础上,对声音的进一步描述,既是前面知识的拓展与延伸,也为后面的学习打下基础,这部分知识对整个章节起到引领和铺垫的重要作用．下面笔者通过设计一系列相关实验和探索活动,引导学生学习和理解声音的特性．

2.1 利用高脚杯发声,引入新课

图1 高脚杯发声

演示实验1：教师出示一个装满水的高脚杯,沾湿手指,轻轻摩擦高脚杯杯口,让高脚杯发出声音,再出示一个装水较少的高脚杯,让高脚杯发出声音,如图1所示,请学生们听这两个声音有什么不同．(高脚杯装水量不同,抚摸杯沿发出声音的高低不同)学生聆听,并结合自己的感受体会,装满水的高脚杯发出声音较低沉,装水较少的高脚杯发出声音较尖细．

引出概念：通过实验我们发现，声音是有高低之分的,在物理学中,我们把声音的高低就叫做音调．

演示实验2：利用手机作为教具,(下载琴音练习软件)如图2所示．教师弹奏音阶,学生判断音调高低,并判断“那么高的音我唱不上去,那么低的音我唱不出来”这句话指的是什么．

图2 琴音练习软件

归纳总结引导：利用手机作为教具来强化音调的概念,要求学生理解物理学中的用语要清楚准确,含义唯一,不能产生歧义．本环节主要实现知识与技能目标,让学生说出音调的概念．

2.2 探究音调的影响因素

演示实验3：由于钢尺振动速度较快,学生不易观察(图3),因此利用改进实验仪器发音齿轮来探究音调与发声体振动的关系．使两个不同的齿轮同轴转动,一个齿轮有80个齿,另一个齿轮有40个齿,接通电源,把硬纸板轻轻放在齿轮边上,使纸板振动,如图4所示,仔细聆听纸板发声的音调,为什么会有高低不同的声音?小组交流,完成表1.

图3 拨动钢尺

图4 改进的发音齿轮

表1 发音齿轮探究音调的影响因素

齿轮齿数40齿80齿单位时间振动次数多少少多振动快慢慢快音调高低低高

归纳总结引导：由表3可知，音调的高低与振动的快慢有关．振动越快音调越高,振动越慢音调越低．音调的高低是由物体的振动快慢来决定的,在物理学中,有一个专用的名词——频率来描述物体的振动快慢,频率是指物体1s内振动的次数,它的单位是赫兹(Hz)．

设计意图：本环节将主要实现过程与方法目标,让学生经历发音齿轮实验,知道影响音调的因素．

学生探究：体会物体振动快慢对音调的影响,如图5所示．小组讨论思考并亲自实验,如何用硬纸片和梳子来证明音调的高低是由物体的振动快慢来决定的?

图5

图6

分析原因：用硬纸片拨动尺子,通过快拨和慢拨梳子来验证音调的高低是由物体的振动快慢来决定的,拨动越快,纸片振动越快,音调就越高;反之,音调越低．

学生活动：向学生介绍不同频率的音叉,如图6所示．让学生猜测那个音叉发出的声音音调更高,哪个更低,最后再通过实验演示．

归纳总结引导：这是实验室标准的音叉,较短的音叉频率为512 Hz,它表示这个音叉在1 s内能够振动512次;而较长的音叉频率是256 Hz.这就表明这个音叉在1 s内能够256次．我们先分别敲击512 Hz的音叉和256 Hz的音叉,可以听出512 Hz的音叉的音调较高,256 Hz的音叉的音调较低.这就充分说明了音调越高,物体的振动越快,音调越低,物体的振动越慢．

视频播放：播放高脚杯演奏视频,学生聆听,感受音调与频率之间的关系．

归纳总结引导：看完了高脚杯的演奏视频,我们可以发现，如果准备很多高脚杯,并且倒入不同高度的水,那么我们也可以演奏出悦耳动听的乐曲．高脚杯能够发声,就是因为在摩擦高脚杯的杯口时,高脚杯就发生了振动,由于空气柱高度不同,所以发出的声音音调也不同．

设计意图：激起学生课后用高脚杯制作小乐器的兴趣,让学生更加喜欢物理,并且感受到物理在生活中的广泛应用．本环节将主要实现情感态度与价值观目标,让学生体会物理学中声音与生活中的声音,体现“从生活走向物理,从物理走向社会”的教学理念．

下面应用所学知识解决实际问题.

问题1：生活中常见的乐器为什么能发出音调不同的声音?

图7

图8

归纳总结引导：在生活中,我们常见的很多乐器的发声原理都是空气柱振动,如口琴、笛子、萨克斯等管乐器(如图7),这些乐器都是通过改变空气柱的高度来改变音调的;除了空气柱振动发声外,还有弦振动发声,如吉他、小提琴、二胡等弦乐器(如图8),这些乐器都是通过改变弦的长度来改变音调的高低．

问题2：通过表2,并结合刚才所讲的内容,思考为什么我们人类可以听见苍蝇翅膀振动的声音而听不见蝴蝶翅膀振动的声音呢?

表2 昆虫翅膀振动的频率(Hz)

归纳总结引导：通过表格可以发现，蚊子的翅膀振动频率最大为640 Hz,而蝴蝶的翅膀振动频率为6 Hz,但是由于人耳的听觉频率是有范围的,在20 Hz～20000 Hz之间,而蝴蝶的翅膀振动频率是次声波,所以人类听不到;蚊子的翅膀振动频率则在人耳听觉频率范围内,所以人能够听到蚊子的声音．在物理学中,我们把小于20 Hz的频率叫做次声波,把大于20000 Hz的频率叫做超声波．尼泊尔地震前一天孟加拉虎罕见跑进空旷地,它们基本没有伤亡,这就是因为孟加拉虎能够感受到地震来临之前的次声波,所以才会逃离地震保护自己．

设计意图：培养学生思考问题的能力,并且感受到生活中的物理,对于“频率”这一概念强化理解．本环节将主要实现情感态度与价值观目标,让学生解释生活中的现象．

图9

过渡：利用声音传感器实验来过渡到对响度的探究,重点介绍声音传感器,如图9所示,首先让学生感受生活中的声音产生的波形图．

2.3 探究响度影响因素

学生活动：观察生活中声音的波形图,例如人讲话时的波形图,如图10;音乐波形图,如图11所示．让学生体验、感受生活中的声音频率是在不断变化的．

图10

图11

2.3.1 探究响度与振幅之间的关系

演示实验4：频率不同的声音有着不规则的波形图,如果声音频率相同,轻敲一下,重敲一下,声音会有什么变化呢?仔细听,并且猜想还会有怎样的波形图呢?先把频率为512 Hz的音叉轻轻敲一下,记录波形图如图12、13所示．进一步提问:敲击频率为512 Hz的音叉展现出来的波形图与人说话时展现出来的波形图有什么不同?

图12

图13

分析原因：敲击频率为512 Hz的音叉展现出来的波形图更规律,这是因为音叉的频率是一定的,就说明它在单位时间里振动的次数是一样的．

归纳总结引导：我们发现,声音不仅有高低之分,还有大小强弱之分,在物理学中,我们把声音的大小叫做响度．传感器实验主要是将声信号转化为电信号,发出的声音能够通过声音采集器来将声音采集并且在电脑上展示出波形图．横轴代表时间,纵轴代表物体振动的幅度,观察波形图,很容易发现,声音越大,物体振动幅度越大,声音越小,物体振动的幅度越小．在物理学中,用一个物理名词来描述物体振动的幅度,叫做振幅,即物体的响度与振幅有关,并且振幅越大,响度越大;振幅越小,响度越小．

设计意图：引导学生仔细观察实验现象,通过现象看本质,能够通过小组讨论的方式得出正确的结论,培养学生动脑思考的习惯,同时强调控制变量在整个实验过程的重要性,将物理学探究思维贯穿整个课堂．

2.3.2 探究响度与距离发声体远近的关系

响度除了与振幅有关,还与什么因素有关呢?

演示实验5:利用传感器,拿出频率单一的发声体,保证频率相同,将发声体靠近或远离声音采集器,观察波形图14、15.

分析原因：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．