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聲現象難點探析
一 關于音調、音色問題在初中物理新課標教材第一章“聲現象”有這樣一個問題：“買瓷碗時，人們常會敲一敲碗，通過聲音來判斷碗是否有破損，這個方法要應用了聲音的什么特征？”類似問題還有： 1、工人用敲打方法查找鍋爐的破裂處，是根據（音調、音色）？ 要弄清楚這些問題，首先就要明確音調、音色的概念和決定因素。 一、概念： 1.音調是指聲音的高低，它是由聲音的頻率所決定，頻率越高，則音調越高。而聲音的頻率又由聲源的固有頻率決定，一個聲源給定的話，它發出的聲音的頻率就一定了。當聲源發生了變化，那它發出的聲音的頻率也將發生變化，音調也要變化。 2.不同的物體發出的聲音，即便音調和響度相同，我們還是能夠分辨它們。這表明在聲音特征中還有一個因素十分重要的，它就是音色（musical quality).不同發聲體的材料、結構不同，發出聲音的音色也就不同。 對音調的理解較為容易，但音色較復雜，這是因為一般物體發聲時往往會有多個頻率的聲音同時發出，其中頻率最低的聲音叫基音，它的頻率就決定了物體所發聲音的音調；其他頻率聲音的強度都比基音弱，頻率都是基音的整數倍，我們把它們叫做泛音。從波形圖中則可以清楚地看出不同音色聲音的本質。由課本中的圖1．3－5可以看出，音叉、鋼琴和長笛的基頻（振幅最大的振動的頻率）相同，但是在基頻的基礎上還有一些附加的小的振動，這些小的振動和大的振動一同決定了聲音的音色。
二、分析 我們先來看教材中的例子： “買瓷碗時，人們常會敲一敲碗，通過聲音來判斷碗是否有破損，這個方法要應用了聲音的什么特征？” 瓷碗有破損時，會造成缺一小塊或出現一些裂縫，結構會改變，因此，音色會不同。發聲物體的內部斷裂必然改變它的本身屬性，其發聲音調也必然改變。因為碗原本振動的完整的圓軌也破壞了，振動的部分發生了改變，其振動頻率也會發生改變，因而發聲的音調（基調）必定會改變。因而本問題的答案應為：根據碗的音色和音調來判斷碗是否有破損，而且是利用音調為主，利用音色為輔。 至于第1、3問題，由于聲源是幾乎相同的（鍋爐或車輪，且體積也相對較大），所以不論敲打到哪里（局部），發出的聲音的音調幾乎是一樣的（基準最低的頻率一定）.但破損處發出的聲音的音色與完好無損處是不一樣的，這好比一個人在正常時發出的聲音和感冒，造成聲帶充血時講話不一樣有點相似，講話的音調好像沒變，但音色發生了變化。所以此類問題的答案是：憑借技術員的經驗，根據音色的變化敏銳感覺出鍋爐或車輪是否有破損。 挑選西瓜時，生西瓜和熟西瓜是不同的兩個聲源、正由于聲源的不同，內部結構也不同，發出的聲音的頻率肯定不同，音色也不同。但也是利用音調為主，利用音色為輔來判斷。 為了體驗聲音在不同介質是傳播速度不同的物理現象 為了體驗聲音在不同介質是傳播速度不同的物理現象，請一位同學在輸送水的直鐵管道上敲擊一下，使鐵管發出清脆的聲音，其余同學沿鐵管分別在不同位置耳朵貼近鐵管聽聲；
A同學說自己只聽到一次響聲； B同學說自己聽到兩次響聲； C同學說自己聽到三次響聲。 已知聲音在空氣中的傳播速度是V氣=340m/s，在水中的傳播速度是V水=1700m/s，在鋼鐵中的傳播速度是V鐵=5100m/s。請你通過計算說明：在鐵管上某處敲響一次，A．B．C三位同學的位置到敲擊點的距離各在什么范圍內？ 解析： 我們要具備一個基本常識，那就是人耳對聲音的區分反應時間為0.1秒，即兩個聲音到達人耳的時間差在0.1秒以下，那人耳基本上就不能區分這兩個聲音，以為是同一個聲音。 我們設A距離聲源為S1，此時聲源發出的聲音經鐵管、水、空氣傳到A耳的時間差均應小于0.1秒，即有： S1/340-S1/5100<0.1 S1/1700-S1/5100<0.1 S1/340-S1/1700<0.1 解得：S1<36.5m； 我們設B離聲源為S2，B聽到空氣傳來的聲音、鐵管與水傳來的聲音（合二為一），則有： S2/340-S2/1700>0.1 S2/340-S2/5100>0.1 S2/1700-S2/5100<0.1 解得：36.5m<S2<255m； 我們設C聲源為S3，C分別聽到空氣傳來的聲音、鐵管、傳來的聲音（三聲），則有： S3/340-S3/1700>0.1 S3/340-S3/5100>0.1 S3/1700-S3/5100>0.1 解得：S3>255m； 敲瓶發聲和吹瓶發聲敲瓶發聲和吹瓶發聲音調的變化是聲學部分常見題目，也是易錯題型，在教師中還沒有形成共識。敲瓶發聲一直有兩種不同的答案。一種贊同敲瓶后發聲體是瓶內空氣，盛水越多，空氣柱越短，音調越高，與吹瓶發聲相似；第二種認為發聲體是瓶身。我贊同后者，敲擊時，瓶身、水和瓶內空氣都在振動，發聲的應主要是瓶身的振動。這樣確定了發聲體，則可知盛水越多瓶身越不宜振動，音調越低。單憑說教學生很難理解和接受，只有通過親歷的探究來實現。
探究目的：確定發聲體，探究發聲的規律 解決這一問題的關鍵是確定發聲體 需要準備的器材（如圖所示）七只盛有不同量水的瓶子。  一、敲瓶發聲 1．演示設疑：敲擊瓶子發聲，提問是什么在發聲？ 2．猜想：（對這類簡單問題學生會積極回應）水、瓶、瓶中空氣或三者共同發聲。 3．進入下一環節設計實驗 啟發：是水、是瓶子還是瓶中空氣？能不能將其中的因素分離出來？（很有挑戰性，學生也能夠達到，所以學生會積極響應） （1）敲擊空瓶將水分離出來。 （2）盛滿水將空氣分離出來。 4．進行試驗 敲擊空瓶能聽到聲音。 敲擊盛滿水的瓶子也能聽到聲音。 很自然得出結論：即沒有水和空氣都能發聲，確定主要發聲體是瓶子本身。 5．敲擊這七只瓶子尋找音調變化的規律：盛水越多瓶身越不宜振動，音調越低。如圖所示敲出的聲音音調從左到右應是由高到低。（學生很有成就感） 二、吹瓶發聲 探究指導：實驗順序先確定發聲體再尋找音調變化的規律。 1．確定發聲體 引導學生怎樣創造性的完成實驗。 猜想：發聲體可能是空氣。 設計實驗：能不能控制這一因素，瓶子盛滿水將空氣排凈，將空氣這一主要因素分離出來，問題解決。 學生在學習管樂發聲的基礎上會容易完成探究。 探究結論：吹瓶發聲，很顯然是引起瓶內空氣柱的振動，盛水越多，空氣柱越短，則音調越高。如圖所示吹出的聲音音調從左到右是由低到高。 空氣傳導與骨傳導的對比題目：當你叩擊自己的上下牙齒，或者咀嚼一只胡蘿卜時，你能清楚地聽到自己牙齒的扣擊聲或咀嚼聲.若你用手把耳朵塞起來，這聲音反會變得更響，這是為什么呢？分析：在通常情況下，聲波借空氣傳入外耳道，使鼓膜振動，產生聽覺.這是聲音傳導的主要途徑，稱為“空氣傳導”或“氣傳導”.但是，整個聽覺器官基本上都埋在顱骨中，故聲波還可以不經鼓膜而直接沿頭骨、頜骨傳入內耳，這稱為“顱骨傳導”或“骨傳導”.與“氣傳導”相比，骨傳導一般是不很重要的.人在把耳朵塞起來時，主要是“骨傳導”，沒有把耳朵塞起來時，主要是“氣傳導”，由于聲音在固體中傳播速度比空氣中快，所以會覺得聲音反會變得更響. “聲現象”三種典型研究方法一、實驗推理法──“真空鈴實驗”
實驗過程：如圖所示，在用抽氣筒不斷向外抽氣的過程中，聽到的聲音漸弱，但依然可以聽到聲音。原因由于玻璃鐘罩氣密性、抽氣筒等原因，不可能將玻璃鐘罩完全抽成真空，二是小電鈴與鐘罩底座或頂部接觸，聲音可以通過固體傳播。通過實驗讓學生有一個直接的感性認識，然后再引導學生進行合理的分析推理：如果沒有空氣，將聽不到聲音。進而得到結論：“聲音的傳播需要介質，真空中不能傳聲”
典型試題： 例1（北京密云）課堂上，老師給同學們做了這樣兩個聲學實驗，圖甲是將一把鋼尺壓在桌面上，一部分伸出桌面。當用手撥動其伸出桌外的一端時，鋼尺發出聲音。圖乙是老師把電鈴扣在鐘罩里并讓其發聲，我們既可聽到清脆的鈴聲。當老師用抽氣機抽掉鐘罩里的空氣時，我們發現，隨著鐘罩里的空氣逐漸變少，鈴聲逐漸變小。這兩個實驗能說明聲音的傳播需要介質的是_____________實驗（選填“甲”或“乙”）。
【解析】甲實驗說明聲音是由物體的振動產生的，乙實驗說明聲音的傳播需要介質。 二、放大法（轉換法） 1．探究聲音產生的條件（如圖所示）
聲音是由物體的振動產生的，有些聲源的振動效果顯著，可以直接觀察，而有些聲源的振動效果較弱，不易直接觀察。在實驗中可以通過一些轉換，對聲源的微弱振動進行放大，進而探究聲音產生的原因。比如：在發聲的紙盆上放小紙屑，紙屑跳動；將敲擊后的音叉放入水中，水花四濺；在桌面上放小豆粒（小玻璃球、小紙屑、一杯水），敲擊桌面，觀察其跳動等。 2．探究振幅對響度的影響（如圖2）
在鼓面上撒些小紙屑，然后用不同的力度敲擊鼓面，聽聲強弱的變化同時觀察小紙屑跳動的高度，從小紙屑的跳動程度判斷振幅的大小，從而得出振幅與響度的關系：“振幅越大、響度越強”。 典型試題： 例2（泉州）如圖所示，在探究“聲音是由物體振動產生”的實驗中，將正在發聲的音叉緊靠懸線下的輕質小球，發現小球被多次彈開。這樣做是為了（ ）
A．將音叉的振動時間延遲 B．使音叉的振動盡快停下來 C．使聲波被多次反射形成回聲 D．將音叉的微小振動放大，便于觀察 參考答案：D 三、類比法 1．聲波概念的引入：聲波比較抽象，同學們不易理解，借助水波進行類比，使學生有一個直觀的感性認識，從而認識聲波。 2．利用“波形”判斷樂音和噪聲、比較振幅對響度的影響
如圖所示，通過波形理解樂音和噪聲的根本區別：“樂音的振動是由規律的，而噪聲的振動是雜亂的、無規律的”。 聲學中的物理研究方法風聲、雨聲、流水聲傾訴著大自然的千變萬化，歌聲、笑聲、音樂聲描述著人們的歡樂。人們研究聲的世界時，常采用以下的研究方法。
一、轉化法顯示物體的振動 有的物理現象不便于直接觀察，通過轉換為容易測量到與之相等或與之關聯的物理現象，從而獲得結論。 例1 如圖1所示，蘭蘭做有關聲現象的實驗時，將一個正在發聲的音叉貼近面頰，目的是為了（ ）
A．感受發聲音叉的振動 B．體驗發聲音叉的溫度 C．估算發聲音叉的質量 D．判斷聲音的傳播速度 分析：本題是轉化思想的極好體現，由于人眼不容易直接觀察到聲源的振動，探究時借助音叉觸及面頰時的感覺顯示音叉發聲時在振動。 答案：A。 二、比較法 比較物體發聲時與未發聲時的區別，用手按住正在發聲的鑼面，它立即不發出聲音。先后對一鼓面輕敲和重擊各一下，比較兩次發出聲音的響度不同。用硬塑料片在梳子齒上快劃和慢劃，比較音調的高低。 三、歸納法 例2 如圖2所示的這些現象說明：正在發聲的物體都在________。
分析：本題重在歸納，“紙屑的跳動”“紙片的跳動”“激起水花”都說明發聲體在振動，同時也從近幾年閱卷情況來看，此處失分頗為嚴重，原因就在對關鍵詞的處理上，此處“振動”非“震動”，諸如“摩擦”非“磨擦”“豎直向下”非“堅直向下”等都是同學們易出錯的關鍵字詞，考后不少同學感覺良好，實際與估計的考分有一定的相差，這里也算得上要考慮的一處。 四、用“實驗+推理”的方法推導 實驗推理法是指在人類現有認識水平、實驗儀器等條件的限制下無法直接去認知、驗證某些物理特性或物理規律時，就在已有的相關的實驗事實的基礎上，進行邏輯推理和猜測，從而得出結論的方法。 例3 請你對下面物理實驗情景進行分析并得出結論。把處于發聲狀態的響鈴放在密閉的容器內（如圖3所示），逐漸抽出其中的空氣聽到的聲音越來越小，最后幾乎聽不到聲音，這說明_____________。
分析：本實驗如果要放在真空環境中做實驗是不可能的，隨著容器內空氣的不斷抽出，空氣越來越稀薄，聽到聲音越來越弱，可以推理：如果被抽成真空，將聽不到聲音，由此可以推出“真空不能傳聲”或“聲音必須通過介質才能傳出去”。 例4 聲音傳播的速度和溫度有關，下表是空氣中聲速隨溫度變化的數據。
當飛機的飛行速度接近周圍的聲速時會受到相當大的阻力。上世紀中期，人們就嘗試進行超音速飛行。在飛機速度有限的情況下，你能指出在什么情況下試驗更容易成功嗎？ 分析：從“當飛機的飛行速度接近周圍的聲速時會受到相當大的阻力”這樣一個結論出發，我們可以分析到：只有飛機的飛行速度與周圍的聲速相差很大時，它受到的阻力才能減小。分析數據可知當溫度升高時，聲速增大；溫度降低時，聲速減小，都可符合要求。而當時嘗試進行的是超音速飛行，所以應在溫度較低的地方試驗容易成功，比如兩極、冬天、高空等等。 五、水波類比聲波──類比法 音叉振動時，附近空氣粒子隨音叉振動，形成一系列疏密相間的形狀向四周傳播，這就是聲波，這就像石塊落入水中激起水波一樣。 六、研究隔音材料用控制變量法 噪聲污染與水、空氣、垃圾污染一樣，也是環境污染的一部分。在1979年聯合國召開的世界環境保護大會上，將噪聲列為當代人類最不可容忍的災難之一。防止噪聲有各種方法，其中“隔聲”是控制噪聲污染的重要方法之一。 例5 小明想比較幾種材料（衣服、錫箔紙、泡沫塑料）的隔音性能，現有器材：音叉、機械鬧鐘、鞋盒，則在本實驗中適合作聲源的是_______；小明設計了一種實驗方案：讓人站在距鞋盒一定距離處，比較所聽見聲音的響度．實驗中小明記錄實驗數據及現象如下表，則待測材料隔聲性能最好的是 。
分析：適合做聲源的是機械鬧鐘，因為它與音叉相比一直在發聲。此方案采用了控制變量法，因為聲音的響度與物體離聲源的遠近有關，離聲源越遠，響度越小。在控制了聽者與聲源距離相同的情況下，研究材料的隔音性能與材料的關系，可以看到隔音性能最好的是泡沫塑料。 |
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