利用傳感器探究音調與頻率的關系

郁志蕓

案例背景：美國教育技術CEO論壇第3度（2000）報告明確指出：“培養21世紀的能力素養，學校必須將數字化內容與學科課程相整合.”而“數字化內容與學科課程相整合”就是我們通常所說的“信息技術與學科課程相整合”（信息技術就是對數字化信息進行處理的技術，其處理結果都是“數字化內容”）.也就是說，信息技術與學科課程相整合是方法，教育改革和創新人才的培養是我們要達到的目標.擁有數字化實驗設備，就要更好地去開發這些設備在一線教學中的運用與改進，就要改進傳統實驗，更新教學理念不斷創新，推進實驗探究的發展，讓更多的學生在數字化實驗中收益.

1問題敘述

在蘇科版物理八上第一章第二節聲音的特性的教學中，我們引導學生利用刻度尺進行探究，通過改變刻度尺伸出桌面的長度，改變尺子的振動頻率，并且聽音調的變化，從而得出音調與頻率的關系.幾乎每一輪教學，做這個實驗，都會有學生提出，看不清尺子振動的快慢，不明白為什么伸出長就振動慢，伸出短就振動快，這里教師也不可能詳細介紹這個原理，這也不是本節課的教學內容，但畢竟給學生留下疑惑.于是我們用疏密不同的梳子，或用轉速不同的齒輪來改進實驗，讓學生能分辨頻率大小，但有學生就提出來，為什么不能直接測出聲源的振動頻率呢？這不是比用肉眼觀察更有說服力嗎？

2處理對策

利用數字化實驗設備（圖1），我們可以測出聲源的振動頻率.

比如，我們可以測音叉的頻率：

敲擊音叉，用傳感器收集音叉的聲音（圖2），在電腦上能顯示出這樣的波形（圖3）.

而根據頻率的定義，我們可以用聲源振動的次數除以振動這么多次所用的時間來算得頻率.（1）頻率：每秒鐘振動的次數.

（2）頻率=振動次數時間.

振動次數可以通過選取的聲波的個數來確定，而在橫坐標上顯示對應的時間（圖4）.比如，選取9次振動（圖5）.

只需在測頻率對話框里輸入波形個數9個，軟件預先編好的計算程序模版就會迅速算出頻率為255.660 Hz（圖6）.

而這個音叉上的標注為256 Hz（圖7）.

可見這種方法對聲源振動頻率的測量誤差還是很小的.

所以，可以測量不同音調的聲音的頻率，來探究音調與頻率的關系.可以選取的聲源很多，除了音叉之外，還可以選取同學們熟悉的樂器，比如鋼琴等樂器.

首先，請同學依次彈奏三個音調不同的音，用聲音傳感器收集（圖8）.

用剛才的方法分別測出三個音的聲源振動頻率（圖9）.

分析數據可以得出：頻率越高，音調越高.3反思改進

3.1數字化改進的優勢

3.1.1數據更有說服力

此案例一改傳統實驗靠肉眼對振動快慢的觀察，而是直接測出頻率，用數據說話，讓實驗結果更有說服力.3.1.2實驗更貼近生活

用鋼琴做實驗，出乎學生們的意料，沒想到平時演奏的樂器也可以作為實驗聲源，能測出他們熟悉的不同音調琴聲的聲源振動頻率，已令他們激動不已.這大大引起了他們的探究興趣.

3.1.3突破傳統實驗

測頻率的實驗是對傳統實驗的一大突破，做到了傳統實驗不可能做到的事情，測出了聲音的頻率，大大發揮了數字化實驗的優勢，學生們掌握了數字化實驗技術，在他們未來的高中乃至大學的進一步學習中，對學生能力發展有至關重要的作用.

3.2數字化實驗的不足3.2.1技術難度.

由于實驗的完成對學生的實驗操作能力有很大的提高作用，也就意味著對于參差不齊的生源，不是任何能力水平段的學生都能夠掌握好數字化實驗技能，數字化實驗的推廣還不夠.

3.2.2分析難度

直接比較頻率值大小并不難，但測量頻率的過程并不是非常容易理解的，學生必須要理解頻率定義，了解公式原理，再去實際操作，盡管不需要自行計算，但掌握測頻率的方法，減小選取波形的誤差，對學生的能力都要要求.

3.2.3鋼琴無法分組

用鋼琴做這個實驗，希望能突破學生們對聲源選取的局限性，讓物理實驗更貼近生活，但也提高了成本，學生分組實驗是不可能使用鋼琴的，這也使這個實驗不具有普遍性，但通過多種樂器實驗比對，笛子、小提琴等都可以完成測頻率實驗，還有各種非樂器聲源，也都可以，所以這個數字化實驗還可以有更多的創新與嘗試.

3.3針對不足進行的改進

由于無法做到學生全員參與，筆者將此實驗做成了5分鐘的微課，在課上播放，作為這一節課學生實驗后的一個深入理解和鞏固.學生們非常感興趣，還有學生希望拿著自己的樂器來演奏，測頻率.最重要的是，本節課音調與頻率的關系是個重難點，而這個實驗的改進，真正測出頻率，給學生留下了深刻的印象，他們對“頻率越高，音調越高”這個實驗結論印象深刻.