神奇的“水瓶琴”

易海濤 黃平安

用一套相同的玻璃瓶子,只要適當地在每一個瓶子里盛上深淺不同的水,按水量的多少順次排列,使它們組成一個完整的音階,就能敲出悅耳動聽的曲子來,故有“音樂瓶”“水瓶琴”之稱。這個實驗取材方便、操作簡單、效果明顯,非常適合初中學生在課外進行實驗探究和老師課堂教學演示。《義務教育課程標準實驗教科書——物理》八年級上冊第一章“聲現象”中的“聲音的特性”這一節“動手動腦學物理”就介紹了這個實驗。教科書中這樣寫道:“8個相同的水瓶中灌入不同高度的水,敲擊它們,就能發出“1,2,

3,4,5,6,7,i”的聲音來。并配有下圖所示的圖片。

圖1. 3-8水瓶琴

根據文字介紹和圖片展示,許多學生和老師這樣理解為:左邊水最少的瓶子發出的聲音音調最低,右邊水最多的瓶子發出的聲音音調最高。而且許多參考書上的該題的答案也是這樣。但本人在做這個實驗時,聽到聲音的高低卻正好相反,左邊的聲音的音調最高,右邊的聲音的音調最低。換用各種不同的啤酒瓶、吊針瓶、杯子等進行實驗,都得到相同的結論。

對此,筆者查閱了大量資料,也是有兩種答案,究竟如何解釋這個實驗現象呢?解決這個問題的關鍵是:敲瓶子時發出的聲音是由瓶子和水振動產生的還是由瓶中的空氣柱振動產生的?

還是上圖的器材,我們用同樣的力依次“吹”這八個瓶子的瓶口,也會發出不同音調的聲音,從左到右音調逐漸升高,這時是瓶內的空氣在振動發聲,越往右內部的空氣柱越短,空氣柱振動發聲的音調也就越高。而這一點恰好同課本上的一個演示實驗相似:同一把尺,伸出桌面越短,它振動時的音調越高。日常生活中也可找到許多相同的實例,同一物體,短一些或者細一些振動時發聲的音調就高。如琴弦、橡皮筋、灌開水等。

再用細棒(敲音叉的橡膠錘也可)以同樣的力去“敲”這八個瓶子的同一位置,也會發出不同音調的聲音,從左到右音調逐漸降低,這時是瓶子和水在振動發聲,越往右瓶子和水的質量越大,振動發聲的音調也越低。杯子所發出來的聲音,主要是由于杯壁的振動。杯子的形狀、大小雖然相同,但盛上深淺不同的水后,相當于改變了杯壁的質量,因此發出的音調也就不同。盛水越滿,質量越大,音調也就越低。日常生活中也有相同的例子,如厚鐵板在相同條件振動時比薄鐵板發聲的音調要低。

認真做了上面兩個實驗后,相信你也看出了原因,“吹”時是空氣柱在振動,“敲”時是瓶和水在振動,聲源不同發聲情況也就不同了。所以筆者認為:如上圖所示,8個相同的水瓶中灌入不同高度的水,吹瓶口時,從左到右音調逐漸升高;敲瓶子時,從左到右音調逐漸降低。

作者單位:1.武漢市東西湖區三店學校 2.湖北省孝感市孝南區肖港初中