应用“手机APP”改进声学实验

曹宇杨 张钧玮

摘 要：在初中物理教材中关于声学部分的实验一般缺少具体数据作为证据，其原因是所用器材较为落后.而如今智能手机普及到千家万户，并且手机中有多个传感器，教师运用手机APP便可将声学实验引入学生家中，不仅操作简便，趣味性强，适用范围也广泛.笔者将以Oscilloscope、Frequency Sound Generator、Phyphox三款手机APP为例，阐述如何用其改进初中物理声学实验.

关键词：手机APP;创新实验;初中物理;实验改进

中图分类号：G633.7     文献标识码：B     文章编号：1008-4134（2021）14-0011-03

作者简介：曹宇杨（1992-），男，黑龙江哈尔滨人，本科，中学一级教师，研究方向：物理实验教学;

张钧玮（2008-），男，黑龙江哈尔滨人，初中生，研究方向：物理实验.

1 用Oscilloscope代替传统示波器

在学习声学知识时，分析声波图形是初中生必须掌握的技能.而想分析声波图形，就要借助示波器.如图1所示是教科版物理教材第三章第二节“乐音的三个特征”这一节课中提到的示波器.该设备搬运沉重，易损坏，造价不菲，学生用其分组实验不太方便.而且该设备连接调试复杂，刚接触物理的初中生想要熟练运用，有很大困难.而智能手机的普及带来福音，一款名为Oscilloscope的示波器软件（如图2所示）充分利用手机的优点，对着麦克风输入声音，便可在屏幕上看到对应的波形图.教师在授课时，还可将手机画面同步到电子白板上，课堂效果很好.

教材中利用示波器主要是想通过声波图形，加强学生对乐音的三个特征的影响因素的理解.以下是用音叉作为声源，再利用Oscilloscope软件得到的声波图形.

1.1 音调与振动频率的关系

用两个频率不同的音叉，分别用大小相同的力敲击，从图像中（如图3、图4所示）能明显看出音调高的音叉对应的声波图形的波峰数为10个，音调低的音叉对应的声波图形的波峰数为9个，说明音叉振动频率越高，音调越高.

1.2 响度与振动幅度的关系

用同一个音叉分别重击和轻击（如图5、图6所示），重击时和轻击时波峰数都为10个，由此证明振动频率相同.但重击时的振幅更大.

1.3 音色不同波形的区别

教材中列举一些乐器的声波图形（如图7所示），教师在课堂中可以让会乐器的同学现场演奏，验证是否与教材中的相同;还可以检测人说话时声带发声的波形（如图8所示）.

2 用Frequency Sound Generator作信号源

教科版八年级上册教材中为学生们提供一些声音的频率（如图9所示），意在让学生对不同声音的振动频率有所了解.但一组组数据并不形象，学生对这些频率值只能机械性记忆.但如果用Frequency Sound Generator软件作信号源则能起到更好的教学效果.Frequency Sound Generator软件中可以通过调节发出任意频率的声音（如图10所示）.我们可以用其发出20Hz左右和20000Hz左右的声音，让学生感受人耳的听声范围，从而让学生理解不同的人耳听声范围不一样.

除此之外，教师还可以利用这款软件，在教材上的音叉共鸣实验基础上进行创新设计.教材中传统的音叉共鸣实验（如图11所示）用两个频率相同的音叉，通过敲击使其中一个音叉引起另一个音叉共鸣.在实际操作中，因为能量损耗较大，对音叉的品质要求也较高，不易出现明显的共鸣现象.我们用Frequency Sound Generator软件发出与音叉频率相同（440Hz）的声音（如图12所示），再把手机放在音叉的共鸣腔内，这样引起的共鸣现象非常明显，在教室范围内都清晰可听.

3 用phophox软件改良声源

phophox软件是这三款软件中功能最全面的，除了声学之外还涉及力学、光学等领域.在声学实验中，它除了可以作为声源，还可以作为调音器.

如图13所示为人教版教材中出现的“水瓶琴”实验，在水瓶中装入不同质量的水，敲击瓶子，能演奏出一首乐曲.由于很少有家庭拥有调音器，所以实际在操作时，只能靠人耳分辨再反复地倒水加水，非常不便利.而如果在手机中装上phophox软件，启用其中的音频自相关功能（如图14所示）对着手机麦克风发声便会在屏幕上显示对应的频率.此时我们可以边加水边敲击瓶子，同时观察屏幕上的频率值，再结合音符与频率的对应表（如图15所示）便可准确地调制出“水瓶琴”.

利用音频自相关功能，我们还可以在学生体会听声范围后，再体会人的发声范围.教科版教材给出的人能发出的声音范围是64Hz-1300Hz.但实际测量值因人而异，在课堂中学生争先恐后地测试自己的发声范围，课堂气氛很好，学生的学习积极性也因此被调动起来，在此过程中学生更深层次地体会到音调与频率的关系.除此之外，利用此功能可大大提升“声音震碎酒杯”实验的成功率.找一支侧壁较薄的高脚杯，敲击其发声，再用软件测出其固有频率.将嘴靠近酒杯，在phophox软件的监测下，不断调整发声频率，使其与高脚杯的固有频率大致相同.提升声音的响度，高脚杯就会被震碎，效果极其震撼.

我们还可以利用phophox软件，改进上文中提到的音叉共鸣实验.以440Hz的音叉为例，在空啤酒瓶中装入适量水，用嘴对其吹气使其发声.在phophox软件的监测下调整水量，使其吹出的声音大致为440Hz.在音叉旁边悬挂一个乒乓球（如图16所示），将瓶子靠近音叉，在吹響瓶子时，会发现乒乓球被弹起，此现象证明音叉在振动，从而说明共振现象.在此实验中吹气时应避免直吹音叉，避免因吹气而引起的乒乓球扰动.也可在瓶子与音叉间加一隔板，这样更有说服力.在此基础之上，教师可进一步拓展学生思维，利用身边的物体让音叉共振，从而加深学生对频率相同的物体会引起共振这一现象的理解.

4 结语

作为新时代的物理教师，应该致力于家庭化的物理实验研究.把看起来“高大上”的物理实验引入家庭，让学生利用身边的器材就能在家中完成实验，这样才能真正做到生活的物理化和物理的生活化.培养学生遇到问题用事实说话的能力和独立解决问题的信念.现如今，随着信息技术的高度发展，手机成为每个人的必需品，而手机软件的高度开发，使手机内部的大量传感器能被我们按需求运用.这正好为物理实验提供便利.教师利用好手机APP不仅能使实验效果更卓越、实验环境更随意，而且也会加速孕育出更多的创新实验方案.

参考文献：

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（收稿日期：2021-04-08）