共振音叉實驗的改進

王佑坤

(耒陽師范學校,湖南耒陽421800)

共振音叉實驗的改進

王佑坤

(耒陽師范學校,湖南耒陽421800)

音叉共鳴箱墊片的老化或彈性不足,嚴重影響了聲音共鳴的演示效果.經研究發現,只要在音叉的共鳴箱底部墊上泡沫塑料即可達到預期的演示效果.為達到最佳的演示效果,還探討了敲擊音叉的部位及音叉的數量和擺放方式.

音叉;共鳴;彈性

1 引 言

高中(含中等職業技術學校)的物理教材中有關聲音的共鳴,是用1對440 Hz的共振音叉來演示的.最常見的問題是:新儀器演示效果好些,舊儀器演示效果差些,有些使用時間過長的音叉,基本上無法較好地演示出共鳴效果.不少從教多年的教師也常常為此而深感困惑.為求得較好的演示效果,甚至總是試圖用加大敲擊音叉叉股的力度來得到滿意的效果,認為這樣可以增加聲波的能量.但往往事與愿違,部分音叉的叉股支座被震脫而導致儀器受損.筆者經多次探索和改進,找到了改進方法,現介紹如下.

2 共振音叉實驗的改進

圖1 改進后的音叉

在2只音叉的共鳴箱的底部各墊上1塊泡沫塑料,如圖1所示.敲擊其中1只音叉的叉股使其發聲,片刻之后,用手抓住被敲擊的音叉的叉股,該音叉即停止發聲.然而教室里的學生仍能聽到清晰的由音叉振動而發出的聲波.待確認后,再用手抓住未被敲擊的音叉的叉股,則聲波立即消失.這說明未被敲擊的音叉是由于共振而發聲的.教師按上述方法敲擊另1只音叉,重復上述操作,同樣可以聽到明顯的共鳴現象.

3 實驗改進的原理

音叉共鳴箱的底部有4個橡膠墊,剛生產出廠的音叉,橡膠墊具有較好的彈性.音叉振動時,共鳴箱與桌面作用過程中,能量損失較少,因而可以得到較好的共鳴現象.但當音叉使用時間過長,橡膠墊發生老化而變得堅硬,彈性變小,音叉振動時,共鳴箱就會將較多的能量傳到與之相連的課桌上,使得振動音叉的振動能量損失較多,以致造成共鳴箱的共鳴效果很差.當墊上具有良好彈性的泡沫塑料之后,振動音叉的振動能量的損失大大減小,共鳴效果就可以得到明顯改善.由此可見,只要分別在2個共鳴箱底各用不干膠粘上2塊等厚的條形泡沫塑料塊,用以代替老化了的橡膠墊,不僅可以得到同樣的演示效果,而且移動起來更為方便.上述泡沫塑料塊也可以用高密度海綿塊代替.

4 共振音叉演示方法的進一步改進

為確保得到更加理想的演示效果,橡皮槌敲擊音叉叉股的部位也是有講究的.為方便說明問題,將音叉叉股外側面劃分為 A,B,C 3個區域(如圖2所示).習慣上,一般多敲擊B區,因為這是叉股正面的中心區域,認為這樣效果會更好.其實不然,最佳的敲擊區域是A區——叉股正面的上端區域.因為用相同的力依次敲擊A,B,C 3個區域,音叉的振動頻率雖然相同,但叉股的振幅卻依次減小,以A區獲得的振幅為最大.由于機械波的能量與振幅成正比,因而音叉振動的聲波最強,這樣演示效果就能達到更佳.

圖2 音叉示意圖

為增加演示實驗的趣味性,可用2對相同的音叉按圖3所示放置.演示時只要教師輕輕敲擊其中任意1只音叉使其發聲.片刻之后,再用手抓往被敲擊的音叉,仍能聽到較強的音叉振動的聲波.若只用手抓住其余未被敲擊的任意1只或2只音叉,教室里還是能夠聽到音叉振動的聲音.只有全部抓住其余3只音叉,教室里才會聽不到音叉振動的聲音.這說明,只要敲響其中任意1只音叉,就可引起其余3只音叉的共鳴.在圖3中任意1只音叉內側叉股上套一小塊泡沫塑料,這樣既可改變該音叉的質量又能增大可見度和保護音叉,如圖4所示.當敲擊該音叉外側叉股時,不僅聲強大大減弱,而且不能引起其余3只音叉的共鳴.同樣,敲擊其余3只音叉中的任意1只音叉,也不能引起該音叉的共鳴.這表明:當音叉質量的改變導致固有頻率改變,以致不能滿足共鳴的條件時,共鳴現象就不再發生.

圖3 2對音叉共同演示聲音共鳴現象

圖4 套上泡沫塑料后演示聲音共鳴現象

5 結束語

上述改進,與傳統方法比較,既增大了聲波的強度,又減少了聲波能量的損失.相距1.3 m的1對音叉都可以產生共鳴現象.如果再備2塊能塞住音叉共鳴箱開口端的泡沫塑料塊,增加共鳴箱作用的演示實驗,既可形象地揭示共鳴箱放大聲音的作用,又可以豐富演示內容,還能激發學生的學習興趣.上述圖3～4所做的2個演示實驗,也可以改為學生的探索性實驗,既有新穎性,又有趣味性,得出的結論也更具普遍性,對幫助學生更好地理解聲音共鳴的原理和應用大有裨益.

[責任編輯:尹冬梅]

Using resonant tuning fork

WANG You-kun
(Leiyang Teachers School,Leiyang 421800,China)

On account of ageing,the cushion under tuning fork lacks elasticity.It w ill lead to bad demonstrating perfo rmance of the tuning fo rk.In this study,foam underlay w as used to imp rove the demonstrating performance.A t the same time,some issues,such as the knocking position,the number of tuning forks,and how to put the tuning fork,were discussed.

tuning fo rk;resonance;elasticity

G633.7

B

1005-4642(2011)01-0023-02

2010-06-20

王佑坤(1955-),男,湖南耒陽人,耒陽師范學校高級講師,學士,從事中學及中職物理實驗的教改研究工作.