基于實驗探究的“聲音的特性”教學設計

2018-04-25 03:10:54喻梅琴張軼炳

物理教師 2018年4期

馬靜喻梅琴張軼炳*

(1. 寧夏大學物理與電子電氣工程學院，寧夏銀川 750021； 2. 寧夏銀川市第六中學，寧夏銀川 750021)

1 引言

教育部新頒發的《普通高中物理課程標準》中提出:物理核心素養是學生在接受物理過程中逐步形成的適應個人終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力,是學生通過物理學習內化的帶有物理學科特性的品質．物理核心素養主要由“物理觀念”、“科學思維”、“科學探究”、“科學態度與責任”等4個方面的要素構成．其中,提出科學探究的目的就是為了培養學生的設計實驗能力、獲取處理信息的能力以及會利用證據得出結論、做出解釋的能力,意在提醒教師從本質上培養學生的科學思維．物理探究實驗可以培養學生觀察、動手、動腦的能力,其最重要的一個特點是加強學生對知識的理解和鞏固,但是把物理實驗現象轉換為物理學的原理是一個艱難的過程,如果轉換不到位,實驗就成了學生看熱鬧的過程,實驗過后并不能幫助學生理解概念,實驗和理論成“兩張皮”,概念仍然是死記硬背．例如“音調”與“響度”的概念,音調是指聲音的高低,而“響度”是指聲音的大小,如果不讓學生通過探究實驗去理解“音調”與“響度”的概念,就很容易混淆,從而導致概念錯誤．

2 “聲音的特性”教學設計

“聲音的特性”是在學生完成聲音的產生與傳播等物理知識的基礎上,對聲音的進一步描述,既是前面知識的拓展與延伸,也為后面的學習打下基礎,這部分知識對整個章節起到引領和鋪墊的重要作用．下面筆者通過設計一系列相關實驗和探索活動,引導學生學習和理解聲音的特性．

2.1 利用高腳杯發聲,引入新課

圖1 高腳杯發聲

演示實驗1：教師出示一個裝滿水的高腳杯,沾濕手指,輕輕摩擦高腳杯杯口,讓高腳杯發出聲音,再出示一個裝水較少的高腳杯,讓高腳杯發出聲音,如圖1所示,請學生們聽這兩個聲音有什么不同．(高腳杯裝水量不同,撫摸杯沿發出聲音的高低不同)學生聆聽,并結合自己的感受體會,裝滿水的高腳杯發出聲音較低沉,裝水較少的高腳杯發出聲音較尖細．

引出概念：通過實驗我們發現，聲音是有高低之分的,在物理學中,我們把聲音的高低就叫做音調．

演示實驗2：利用手機作為教具,(下載琴音練習軟件)如圖2所示．教師彈奏音階,學生判斷音調高低,并判斷“那么高的音我唱不上去,那么低的音我唱不出來”這句話指的是什么．

圖2 琴音練習軟件

歸納總結引導：利用手機作為教具來強化音調的概念,要求學生理解物理學中的用語要清楚準確,含義唯一,不能產生歧義．本環節主要實現知識與技能目標,讓學生說出音調的概念．

2.2 探究音調的影響因素

演示實驗3：由于鋼尺振動速度較快,學生不易觀察(圖3),因此利用改進實驗儀器發音齒輪來探究音調與發聲體振動的關系．使兩個不同的齒輪同軸轉動,一個齒輪有80個齒,另一個齒輪有40個齒,接通電源,把硬紙板輕輕放在齒輪邊上,使紙板振動,如圖4所示,仔細聆聽紙板發聲的音調,為什么會有高低不同的聲音?小組交流,完成表1.

圖3 撥動鋼尺

圖4 改進的發音齒輪

表1 發音齒輪探究音調的影響因素

齒輪齒數40齒80齒單位時間振動次數多少少多振動快慢慢快音調高低低高

歸納總結引導：由表3可知，音調的高低與振動的快慢有關．振動越快音調越高,振動越慢音調越低．音調的高低是由物體的振動快慢來決定的,在物理學中,有一個專用的名詞——頻率來描述物體的振動快慢,頻率是指物體1s內振動的次數,它的單位是赫茲(Hz)．

設計意圖：本環節將主要實現過程與方法目標,讓學生經歷發音齒輪實驗,知道影響音調的因素．

學生探究：體會物體振動快慢對音調的影響,如圖5所示．小組討論思考并親自實驗,如何用硬紙片和梳子來證明音調的高低是由物體的振動快慢來決定的?

圖5

圖6

分析原因：用硬紙片撥動尺子,通過快撥和慢撥梳子來驗證音調的高低是由物體的振動快慢來決定的,撥動越快,紙片振動越快,音調就越高;反之,音調越低．

學生活動：向學生介紹不同頻率的音叉,如圖6所示．讓學生猜測那個音叉發出的聲音音調更高,哪個更低,最后再通過實驗演示．

歸納總結引導：這是實驗室標準的音叉,較短的音叉頻率為512 Hz,它表示這個音叉在1 s內能夠振動512次;而較長的音叉頻率是256 Hz.這就表明這個音叉在1 s內能夠256次．我們先分別敲擊512 Hz的音叉和256 Hz的音叉,可以聽出512 Hz的音叉的音調較高,256 Hz的音叉的音調較低.這就充分說明了音調越高,物體的振動越快,音調越低,物體的振動越慢．

視頻播放：播放高腳杯演奏視頻,學生聆聽,感受音調與頻率之間的關系．

歸納總結引導：看完了高腳杯的演奏視頻,我們可以發現，如果準備很多高腳杯,并且倒入不同高度的水,那么我們也可以演奏出悅耳動聽的樂曲．高腳杯能夠發聲,就是因為在摩擦高腳杯的杯口時,高腳杯就發生了振動,由于空氣柱高度不同,所以發出的聲音音調也不同．

設計意圖：激起學生課后用高腳杯制作小樂器的興趣,讓學生更加喜歡物理,并且感受到物理在生活中的廣泛應用．本環節將主要實現情感態度與價值觀目標,讓學生體會物理學中聲音與生活中的聲音,體現“從生活走向物理,從物理走向社會”的教學理念．

下面應用所學知識解決實際問題.

問題1：生活中常見的樂器為什么能發出音調不同的聲音?

圖7

圖8

歸納總結引導：在生活中,我們常見的很多樂器的發聲原理都是空氣柱振動,如口琴、笛子、薩克斯等管樂器(如圖7),這些樂器都是通過改變空氣柱的高度來改變音調的;除了空氣柱振動發聲外,還有弦振動發聲,如吉他、小提琴、二胡等弦樂器(如圖8),這些樂器都是通過改變弦的長度來改變音調的高低．

問題2：通過表2,并結合剛才所講的內容,思考為什么我們人類可以聽見蒼蠅翅膀振動的聲音而聽不見蝴蝶翅膀振動的聲音呢?

表2 昆蟲翅膀振動的頻率(Hz)

歸納總結引導：通過表格可以發現，蚊子的翅膀振動頻率最大為640 Hz,而蝴蝶的翅膀振動頻率為6 Hz,但是由于人耳的聽覺頻率是有范圍的,在20 Hz～20000 Hz之間,而蝴蝶的翅膀振動頻率是次聲波,所以人類聽不到;蚊子的翅膀振動頻率則在人耳聽覺頻率范圍內,所以人能夠聽到蚊子的聲音．在物理學中,我們把小于20 Hz的頻率叫做次聲波,把大于20000 Hz的頻率叫做超聲波．尼泊爾地震前一天孟加拉虎罕見跑進空曠地,它們基本沒有傷亡,這就是因為孟加拉虎能夠感受到地震來臨之前的次聲波,所以才會逃離地震保護自己．

設計意圖：培養學生思考問題的能力,并且感受到生活中的物理,對于“頻率”這一概念強化理解．本環節將主要實現情感態度與價值觀目標,讓學生解釋生活中的現象．

圖9

過渡：利用聲音傳感器實驗來過渡到對響度的探究,重點介紹聲音傳感器,如圖9所示,首先讓學生感受生活中的聲音產生的波形圖．

2.3 探究響度影響因素

學生活動：觀察生活中聲音的波形圖,例如人講話時的波形圖,如圖10;音樂波形圖,如圖11所示．讓學生體驗、感受生活中的聲音頻率是在不斷變化的．

圖10

圖11

2.3.1 探究響度與振幅之間的關系

演示實驗4：頻率不同的聲音有著不規則的波形圖,如果聲音頻率相同,輕敲一下,重敲一下,聲音會有什么變化呢?仔細聽,并且猜想還會有怎樣的波形圖呢?先把頻率為512 Hz的音叉輕輕敲一下,記錄波形圖如圖12、13所示．進一步提問:敲擊頻率為512 Hz的音叉展現出來的波形圖與人說話時展現出來的波形圖有什么不同?

圖12

圖13

分析原因：敲擊頻率為512 Hz的音叉展現出來的波形圖更規律,這是因為音叉的頻率是一定的,就說明它在單位時間里振動的次數是一樣的．

歸納總結引導：我們發現,聲音不僅有高低之分,還有大小強弱之分,在物理學中,我們把聲音的大小叫做響度．傳感器實驗主要是將聲信號轉化為電信號,發出的聲音能夠通過聲音采集器來將聲音采集并且在電腦上展示出波形圖．橫軸代表時間,縱軸代表物體振動的幅度,觀察波形圖,很容易發現,聲音越大,物體振動幅度越大,聲音越小,物體振動的幅度越小．在物理學中,用一個物理名詞來描述物體振動的幅度,叫做振幅,即物體的響度與振幅有關,并且振幅越大,響度越大;振幅越小,響度越小．

設計意圖：引導學生仔細觀察實驗現象,通過現象看本質,能夠通過小組討論的方式得出正確的結論,培養學生動腦思考的習慣,同時強調控制變量在整個實驗過程的重要性,將物理學探究思維貫穿整個課堂．

2.3.2 探究響度與距離發聲體遠近的關系

響度除了與振幅有關,還與什么因素有關呢?

演示實驗5:利用傳感器,拿出頻率單一的發聲體,保證頻率相同,將發聲體靠近或遠離聲音采集器,觀察波形圖14、15.

分析原因：頻率單一的發聲體距離聲音傳感器越遠,波形圖的振幅越小,即響度越小;發聲體距離聲音傳感器越近,波形圖的振幅越大,即響度越大．由此可知，接收處聲音響度的大小與距離發聲體的遠近有關,并且距離越近,響度越大;距離越遠,響度越小．