1、一道声学 问题的实验设计和 探究 江苏省金坛市朱林中学 袁宇（ 213241） 电话： 13814785462 邮箱 【作者语】 “挑选花盆”问题是声学教学中遇到的一个疑难问题。每学期涉及到此问题时，教师间都是争论不休，很难有统一的答案。最近在有关中学物理 QQ 群中老师门也展开了热烈的讨论，但是都很难定论。于是本人 把 自己 对此问题 研究方法和操作的过程及 形成的 观点 ，整理成文字， 和大家共享。类似的问题还有：铁路工人敲钢轨听声音判断钢轨是否有裂缝 ； 有经验的人 用 手指巧西瓜来 判断西瓜的生熟，等等。 以下是一个紧密联系我们日常生活的问题，也是 中学 物理 声现象 教学 中经常
2、遇到且 会发生争议 的问题。 题目： 日常生活中，有经验的花匠在挑选花盆时，常常将新花盆拎起后轻轻敲击它，用耳听一下此时发出的声音 ,根据敲击声来判断花盆是否有裂缝。他是主要根据声音三个特征的 中哪个特征？ 解答 1: 音调。理由：音调是由于物体的振动频率决定的。有裂缝花盆和完好的花盆相比，在敲击时发生振动的部分变少了，从而振动频率变高了。所以选音调。解答 2: 音色。理由：音色是由于物体的材料和结构的不同导致的，花盆坏了，它的结 构肯定也改变了。因此音色。解答 3: 音调。理由：好的花盆和有裂缝的花盆轻轻敲击发出的声音的音调和音色都不相同 ,但是人耳对音调更为敏感 !所以主要还是从音调加以判
3、断。解答 4: 音调和音色 。 理由：以上分析都对，所以音调和音色都有。 是音调还是音色？还是音调和音色的共同作用的结果呢？ 由于学生运用所学知识所思考的角度不同，似乎各有理由，答案很难统一，从而产生争议 。 对于初步学习物理的 中学生 来说 ，老师很难用 高深 的 声学知识 “ 空对空”地分析来解决这个问题。 所以不少 老师 要么回避这个问题，要么 统一 规定为某个答案而不加以解释。 有勃于物理教学的 新课程 理念。 这样 本可以激发学生学习物理的兴趣的一个 问题 ，但是 由于 疑惑的存在， 反而 挫伤了 学生 学习物理的积极性和自信心 。 为此，我 根据中 学生 已有的经验 和 知识 ，
4、利用 烧杯、 示波器 等器材设计几组实验 ，和学生一起 来 共同 探究 这个问题的真正的答案。 以下是我设计的 实验 方案和 探究 中所 观察到的现象及结论。 第一组实验： 第一步，我精选了两只规格和型号一样的“ 500ml”的烧杯，尽管是精选，但两只烧杯的质量和厚薄还是有一点点差异，因为两只完全一样的烧杯是找不到的。其中一只 A 杯完好无裂缝，另一只 B 杯有裂缝。第二步，我 用音锤以同样的方式敲击这两只烧杯，让事先不知道烧杯是否有裂缝的几位学生来听一下这两只烧杯被敲击时发出的声音，并要求他们根据所听声音来判断它们是否有裂缝。结果他们的判断与实际情况完全一致。同时用示波器把敲击这两只烧杯时的
5、相关信息记录下来，如下图 1 和 图 2： 从 两只烧杯被敲击时发出声音的频率来看， A 杯的发声频率为 796Hz， B 杯的发声频率为 839Hz，这两次的发声频率确实不同，音调当然也就不同了。多次实验后的结果还是这样。那么，因此就得结论：用敲击声来判断花盆是否有裂缝，主要根据声音的音调。 这样的结论是否可靠呢？接下来又做了第二组实验。 第二组实验： 第一步，我又选了一只规格和型号与 A 杯一样的“ 500ml”的烧杯 C，但两只烧杯的质量和厚薄的差异有点大，且 C 杯完好无裂缝。第二步，我用音锤以同样的方式敲击这两只烧杯，让事先不知道烧杯是否有裂缝的几位学生来听一下这两只烧杯被敲击时发出
6、的声音，并要求他们根据所听声音来判断它们是否有裂缝。结果他们的判断与实际情况完全一致。同时用示波器把敲击这两只烧杯时的相关信息记录下来，如下图 3 和 图 4： 从 两只烧杯被敲击时发出声音的频率来看， A 杯的发声频率为 796Hz， C 杯图 3 A 杯的相关信息 图 4 C 杯的相关信息 A 杯 C 杯 图 1 A 杯的相关信息 图 2 B 杯的相关信息 B 杯 A 杯 的发声频率为 732Hz，这两次的发声频率确实不同，音调当然也就不同了。多次实验后的结果还是这样。这表明，发声频率不同的杯子不一定就有坏的。 事实上，我们在挑选花盆时，花盆的种类和规格是多种多样，有大有小、有重有轻，并且
7、没有一个标准样品，也不可能一次只敲一个花盆。我们在敲不同的花盆时，它的发声频率可能都不一样，但我们还是能把好与坏区分出来。这说明，用敲击声来判断花盆是否有裂缝，不是主要根据声音的音调。为了说明这一问题，又做了第三组实验。 第三 组实验： 第一步，我又选了两只规格和型号与不一样的烧杯，其中一只 D 杯的型号是“ 250ml”，完好无裂缝，另一只 E 杯的型号是“ 100ml”，完好无裂缝。第二步，我用音锤以同样的方式敲击这两只烧杯，让事先不知道烧杯是否有裂缝的几位学生来听一下这两只烧杯被敲击时发出的声音，并要求他们根据所听声音来判断它们是否有裂缝。结果他们的判断与实际情况完全一致。同时用示波器把
8、敲击这两只烧杯时的相关信息记录下来，如下图 5 和 图 6： 通过以上一系列实验，学生得出的结论是：发声频率不同的烧杯，有的是无裂缝的， 也有的是有裂缝的；同样是无裂缝的烧杯，它们的发声频率也会不同，甚至相差很大。由此可以断定：用敲击声来判断花盆是否有裂缝，不是主要根据声音的音调。那么，用敲击声来判断花盆是否有裂缝，主要根据声音的什么特征呢？我们只要分析一下这几次实验中所记录下的波形， A、 C、 D、 E 这几只完好无裂缝的烧杯发声时声波的波形基本上是一样的 “ 正弦波 ” 波形，而有裂缝 B杯发声时声波的波形与 A、 C、 D、 E 这几只烧杯发声时声波的波形相差很大。这说明，用敲击声来判
9、断花盆是否有裂缝，不是主要根据声音的音调，而是主要根据声音的音色。 图 5 D 杯的相关信息 图 6 E 杯的相关信息 E 杯 D 杯 以上就是我对 这个疑难问题 的实验设计和探究 过程 。这样 学生在亲自参与 探究 中学会解决问题的方法和科学的态度 ,体会到了成功的喜悦 ， 实现对知识的 理解 和应用 。 同时通过 这样 实验设计和探究 ，体现了 学生的主体参与性 ,激发了学生的兴趣 ,使学生通过猜想、讨论 ,设计实验、探究验证 ,完全参与整个过程 ,处于主动探究学习的过程 ,给学生较大的发挥空间 ,也使学生体会到其实物理并不深奥 ,就在我们的身边 。 符合新课标提倡的知识与技能 , 过程与方法 ,感情与价值观的三维思想理念 ， 使新课程目标真正的 得以落实。
