基于地方课程资源的物理跨学科实践设计——铜犴发声原理探究与拓展

王贵林

(云南省昆明市第一中学西山学校,云南 昆明 650100)

1 项目背景

云南省昆明市盘龙江铜犴最初铸造于清嘉庆年间.咸丰七年,即1857年被毁,同治三年,即1864年昆明的士绅又重新铸造铜犴,距今已有150余年历史.铜犴最初放置在一座古寺中,俗称“金牛寺”,铜犴铸成之初,其腹下有深井直通盘龙江,由于铜犴的特殊构造,发大水时它便会发出嗡鸣声,就如同向人们发出水患警报,于是有了“金牛吼三声,水淹大东门”的古话.近代以来,几经战乱迁移,铜犴如今安置在盘龙江边的金牛街上.

如图1所示,铜犴俗称金牛或铜牛,质地为铜,俯卧于地,它身长约2.3 m,高约1.5 m.清道光年间戴筠帆编撰的《昆明县志》中形容:铜犴昂头向江水,起足做欲斗状.

图1

为了镇住盘龙江水患,清代嘉庆年间,人们在盘龙江边铸造了其形似牛而实非牛,顶具独角的铜犴,用以镇压水患和预警水患.铜犴底座的下方有一口水井,井壁通盘龙江,盘龙江涨水的时候,铜身发出嗡鸣,向老百姓报警.“铜犴叫三声,水淹大东门”是在民间流传了千百年的灾情警示语!

2 项目开发——铜犴发声原理探究

2.1 现场体验 提出问题

电视系列片《爱昆明》,是近年来昆明教育电视台主要打造的精品创作节目.昆明历史文化系统工程之一——昆明城市历史视频系列教材,昆明市中小学生首部德育视频教材,它面向未成年人思想道德建设,重点培养未成年人爱国主义;是昆明市中小学生深入了解昆明这座城市、唤醒城市记忆、传承城市血脉的一扇窗口.力争通过一定的积累,打造出一部较为全面的宣传家乡、热爱家乡的优质视频教材.

犴是主管桥梁大水江湖的神兽,因为它是由铜铸造的,所以叫铜犴,又叫金牛或者铜牛.

科普实验小组,与昆明教育电视台和云南省社科院相关专家取得了联系,由昆明教育电视台组织,前往盘龙江参观考察,主持人引导科普小组学生,对铜犴进行观察,看看它有什么特别的地方.

学生观察到金牛背部有个小孔,而且金牛肚子很大,中间是空的.主持人引导学生思考,这些特别的地方跟盘龙江水上涨时它会发出声音是有关系的,为什么江水上涨时它会发出声音呢?

2.2 猜想与假设

科普实验小组最开始假想,井内空气通过孔快速往外流动产生了声音,但就算空气往外快速流出产生了声音,这声音是连续的,不会出现间断的“三声”呀,实践证明被否定了.另外假想笛子的吹空,是外面空气流动产生声音,那为什么会出现“三声”呢?铜犴外部空气流动时,通过铜犴背部的小孔,引起铜犴内部空气柱振动而发声.当涨水时,铜犴内空气柱变短,传入的声波与反射回来的声波叠加,形成驻波,声音加强,铜犴腹部是空的,起到共鸣作用,将声音放大.

2.3 设计实验与制订方案

实验器材如图2～4所示,大试管1个(牛顿管改装,长度大约100 cm),容积为2.5 L透明盛液筒1个,软皮管1根,带色水10 L,铁架台,音叉1个.如图5所示,用软管将透明盛液筒与大试管组装成连通器,大试管固定在铁架台上,然后向矿泉水瓶内注入适量带色的水,改变透明盛液筒的高度,可以改变大试管内水位的高低,音叉置于大试管口的上方.

图2

图3

图4

图5

2.4 获取与处理信息、基于证据得出结论

分工协作:学生1改变水位高低;学生2敲击音叉;学生3记录出现共鸣时水位到达的位置.

用牛顿管与软管形成连通器,改变水位,从而改变了水面上内部空气柱的长度,然后通过敲击音叉发声,做声源.当水位到一定高度时,音叉振动激起空气振动产生的声波与水面反射回来的声波发生了叠加,水位上涨满足驻波条件,声音响度增大,又因为水的上方是空的,产生了共鸣,声音被放大,水位的变化会引起多次共鸣.

2.5 物理原理

通过科普小组实验的探究,学生明白了铜犴发声原理.物理原理铜犴背上的孔有如笛子吹孔,孔上方空气流动时,振动发出声音,声波由铜犴的空腹向下面的深井传播.这声音日常不易觉察.盘龙江发大水时,井水上升,改变了内部空气柱的长度,当水涨到一定高度时,小孔上方空气振动产生的声波与水面反射回来的声波发生了叠加,声音响度变大,而由于铜犴腹中空,形成了共鸣箱,嗡鸣声就被放大了,所以涨水时铜犴发声,声音就更大了.

以井口向下建立坐标(如图6所示),设在坐标原点入射波和反射波的初相位相同,都为0.以下理论分析中波沿x轴传播,遇到水面后反射回井口.两列波的振幅相同、频率相等、初相位为0,传播方向相反.A表示振幅,ω表示角频率,λ为波长.

图6

两列波的运动方程分别为

两列波叠加后得到

当井口到水面的距离x满足半个波长的整数倍时(声音波长约是米的量级),出现波腹叠加后的振幅取最大值.声音的强度就是声波的能流密度,可表述为(ρ为空气密度,u为波数)

从上式可看出,合振幅越大,声音越强.当河水上涨时,井与河水联通,井里水面上升,x减小.当x满足半个波长的整数倍时,铜犴发出吼声,警示语里边“三声”,表示多次发声的意思.

2.6 交流与评估

科普实验小组,实验探究后,做了讨论交流,谈了各自的收获及以后通过探究实验去解决问题.通过本次探究活动,培养了动脑思考,动手操作的能力,实验科普小组的实验成果通过昆明教育电视台进行了展示,培养了学生的自信心,同时对科学本质有了新的认识,对科学的态度与社会的责任得到了加强.通过科普实验小组的探究,还原了铜犴发声的原理,解决了困惑多年的问题,在教学工作中实现了跨学科实践,提高了学生的学习兴趣,体现物理的课程理念“从生活走向物理,从物理走向社会”.

实验是根,正如我国物理教育界的前辈朱正元教授所说:“坛坛罐罐当仪器,拼拼凑凑做实验.”本实验取材方便,经济成本低,成本200元左右,容易普及、推广.可以在教研组、工作坊内推广自制教具,培养学生小创造、小发明,提高学生学习物理的热情.通过科普实验小组的探究,让抽象的问题变得直观化.

3 项目拓展——现代水位报警器制作

弄清楚古代水位报警是我们的责任.现在的水位报警,是通过机械式或磁感应的方法来进行水位的报警,可以是声光报警或者磁性报警同时控制水泵等设备的启动或停止.一般水位报警仪由水位探测器、雨量传感器、报警灯、扩音器、太阳能板和采集传输控制器组成.这样可以通过耳朵听,眼睛看,数据显示等全方位地知道报警.

那么现代水位报警器如何制作呢?在物理教师的引导下,科普实验小组查阅资料,进行思考,制作现代水位器.

实验器材:主要有电池盒、电池、磁控开关、磁铁、蜂鸣器、泡沫和导线、透明杯子等.

实验步骤:(1) 将磁控开关的一端连到电池盒的红色导线,另一端与一根单独的红色导线连接,然后,把蜂鸣器的负极(短脚)连到电池盒的黑色导线,正极(长脚)与磁控开关的红色导线相连,形成了一个完整的电路(如图7所示),装上电池.(2) 将一根长木条用热熔胶固定在瓶子外部,把电池和蜂鸣器用热熔胶固定在方木条上,再用热熔胶磁控开关固定在透明杯外侧.(3) 把磁铁固定在泡沫上,用两根带胶皮的硬铜导线穿过泡沫,放进杯子里,使泡沫能够随着水面上升或下降.这样,一个水位报警器就制作完成了(如图8所示).

图7

图8

往杯子里慢慢地倒水,水慢慢往上涨,泡沫和磁铁也随着往上浮,到固定磁控开关的位置,蜂鸣器所在电路就形成了一个闭合回路,蜂鸣器开始工作,发出警报.