DIS系統在初中物理聲學中的應用

李豐利 王成武

摘要： 安裝有Phyphox軟件的智能手機本質上就是一個DIS系統，把多種傳感器、數據采集器和應用軟件集成一體。通過智能手機的測量發現，聲音的音調是由聲源性質決定的，與外力無關，外力決定了聲源振動的幅度。傳統聲學實驗更多依靠眼耳的觀察、感覺，并不可靠。相互比較，基于傳感器技術的數字化技術在聲學實驗有很大應用價值，數字化技術與傳統實驗的融合是未來課堂物理實驗教學的趨勢。

關鍵詞： Phyphox APP ?智能手機 ?DIS系統 ?比較 ?融合

Phyphox（physical phone experiments）是由德國亞琛工業大學第二物理研究所開發的一款免費支持Android及ios系統的基于智能手機內置傳感器的物理實驗軟件，可通過移動端控制并以多種常用格式導出數據或計算機遠程控制。Phyphox利用手機自帶的傳感器采集數據，并借助手機的運算功能處理數據，最后以圖像、表格等形式顯示數據。所以，安裝有Phyphox軟件的手機實質上就是一個DIS系統。本文基于智能手機軟件Phyphox的聲學部分進行初中物理“聲音的特性”實驗的相關 研究 。

一、傳統實驗存在的問題

傳統聲學實驗主要是通過眼、耳等去看和聽，例如：初中物理教材中的實驗，將一把鋼制刻度尺的一端伸出桌面一定的距離，將另一端緊緊按壓在桌面上，撥動鋼尺的一端，使它振動發聲，觀察鋼尺振動的快慢情況，聆聽聲音的高低；然后改變鋼尺伸出桌面的長度，用同樣大小的力去撥動鋼尺一端，再次觀察鋼尺振動的快慢情況，同時聆聽聲音的高低變化；多次改變鋼尺伸出桌面的長度，重復上述操作。在整個實驗的過程中，鋼尺振動速度都是比較快的，人眼是很難看清楚的。另外，學生在聲學的學習中，經常遇到水瓶琴的問題，物體的振動人眼根本看不見。因此，傳統物理聲學實驗中，更多是依靠感覺，非常不可靠。

針對傳統實驗的問題，我們可以借助傳感器技術，實時、準確、形象地顯示各種聲音。下面筆者基于智能手機應用數字化技術測量音調和響度，以說明該技術在物理聲學實驗中的應用價值。

二、數字化實驗

（一）實驗過程

實驗一：敲擊音叉

1.實驗裝置

音叉：標稱值為256赫茲、512赫茲各一支。

2.實驗步驟

（1）點擊軟件中的“聲音頻譜”，點擊開始標志。用小一點的力敲擊標稱值為256赫茲的音叉，點擊結束標志，記錄峰值頻率和振幅（相對值）。

（2）再點擊開始標志，用大一點的力敲擊標稱值為256赫茲的音叉，點擊結束標志，記錄峰值頻率和振幅（相對值）。

（3）再點擊開始標志，用小一點的力敲擊標稱值為512赫茲的音叉，點擊結束標志，記錄峰值頻率和振幅（相對值）。

（4）再點擊開始標志，用大一點的力敲擊標稱值為512赫茲的音叉，點擊結束標志，記錄峰值頻率和振幅（相對值）。

3.實驗數據

實驗二：寬鋼尺的振動

1.實驗裝置

較寬鋼尺

2.實驗步驟

（1）點擊軟件中的“聲音頻譜”，點擊開始標志。將寬鋼尺緊壓在桌面上，尺的一端伸出桌面5厘米，用小一點的力撥動，發出聲音，點擊結束標志，記錄峰值頻率和振幅（相對值）。

（2）將寬鋼尺緊壓在桌面上，尺的一端伸出桌面5厘米，用大一點的力撥動，發出聲音，點擊結束標志，記錄峰值頻率和振幅（相對值）。

（3）將寬鋼尺緊壓在桌面上，尺的一端伸出桌面10厘米，用小一點的力撥動，發出聲音，點擊結束標志，記錄峰值頻率和振幅（相對值）。

（4）將寬鋼尺緊壓在桌面上，尺的一端伸出桌面10厘米，用大一點的力撥動，發出聲音，點擊結束標志，記錄峰值頻率和振幅（相對值）。

（5）將寬鋼尺緊壓在桌面上，尺的一端伸出桌面15厘米，用小一點的力撥動，發出聲音，點擊結束標志，記錄峰值頻率和振幅（相對值）。

（6）將寬鋼尺緊壓在桌面上，尺的一端伸出桌面15厘米，用大一點的力撥動，發出聲音，點擊結束標志，記錄峰值頻率和振幅（相對值）。

3.實驗結果

實驗三：窄鋼尺的振動

1.實驗裝置

較窄鋼尺

2.實驗步驟

如實驗二。

3.實驗數據

實驗四：玻璃瓶的振動（敲擊方式）

1.實驗裝置

三個同樣的分別裝有5厘米、10厘米、15厘米深的水的玻璃瓶橡膠錘

2.實驗步驟

（1）點擊軟件中的“聲音頻譜”，點擊開始標志。用橡膠錘對著盛有深5厘米水的玻璃瓶，用小一點的力敲擊，發出聲音，點擊結束標志，記錄峰值頻率和振幅（相對值）。

（2）點擊開始標志，用橡膠錘對著盛有深5厘米水的玻璃瓶，用大一點的力敲擊，發出聲音，點擊結束標志，記錄峰值頻率和振幅（相對值）。

（3）點擊開始標志，用橡膠錘對著盛有深10厘米水的玻璃瓶，用小一點的力敲擊，發出聲音，點擊結束標志，記錄峰值頻率和振幅（相對值）。

（4）點擊開始標志，用橡膠錘對著盛有深10厘米水的玻璃瓶，用大一點的力敲擊，發出聲音，點擊結束標志，記錄峰值頻率和振幅（相對值）。

（5）點擊開始標志，用橡膠錘對著盛有深15厘米水的玻璃瓶，用小一點的力敲擊，發出聲音，點擊結束標志，記錄峰值頻率和振幅（相對值）。

（6）點擊開始標志，用橡膠錘對著盛有深15厘米水的玻璃瓶，用小一點的力敲擊，發出聲音，點擊結束標志，記錄峰值頻率和振幅（相對值）。

（7）實驗結果

實驗五：空氣柱的振動（吹氣方式）

1.實驗裝置

三個同樣的分別裝有5厘米、10厘米、15厘米深的水的玻璃瓶。

2.實驗步驟

（1）點擊軟件中的“聲音頻譜”，點擊開始標志。用嘴對著盛有深5厘米水的瓶口，用小一點的力吹氣，發出聲音，點擊結束標志，記錄峰值頻率和振幅（相對值）。

（2）點擊開始標志，用嘴對著盛有深5厘米水的瓶口，用大一點的力吹氣，發出聲音，點擊結束標志，記錄峰值頻率和振幅（相對值）。

（3）點擊開始標志。用嘴對著盛有深10厘米水的瓶口，用小一點的力吹氣，發出聲音，點擊結束標志，記錄峰值頻率和振幅（相對值）。

（4）點擊開始標志。用嘴對著盛有深10厘米水的瓶口，用大一點的力吹氣，發出聲音，點擊結束標志，記錄峰值頻率和振幅（相對值）。

（5）點擊開始標志。用嘴對著盛有深15厘米水的瓶口，用小一點的力吹氣，發出聲音，點擊結束標志，記錄峰值頻率和振幅（相對值）。

（6）點擊開始標志。用嘴對著盛有深15厘米水的瓶口，用大一點的力吹氣，發出聲音，點擊結束標志，記錄峰值頻率和振幅（相對值）。

3.實驗結果

（二）實驗說明

1.本實驗中的數據，采集自“聲音頻譜”中的“原始數據”和“加速度頻譜”，數據采集周期為0.04秒，樣本數2048個。

2.發生力量分為“小的力”和“大的力”，由于力的大小無法測量，只能采用這種主觀的表達方式；但可以肯定的是“大的力”比“小的力”明顯要大。這個力是瞬時的，不是連續的、周期性的，這個力也不可以超過物體彈性形變所能承受的最大值。

3.本實驗數據中的“頻率”精確到個位，“相對振幅”的大小依據軟件中波形的波動幅度顯示。

4.在實驗二中鋼尺伸出桌面5厘米時，由于伸出桌面長度太短，彈撥時可能會出現鋼尺與桌面發生碰撞情況，從而產生較大誤差。

（三）實驗結論

通過實驗一，可以得出Phyphox軟件測量是比較準確的，確保了后續實驗結果的可靠性。音叉的頻率與敲擊的力量無關。

通過實驗二、三，可以得出鋼尺振動頻率與彈撥的力量無關，與伸出桌面的長度有關，伸出的長度越長，振動頻率越低；振動頻率還與鋼尺的寬度有 關系 。

通過實驗三，可以得出玻璃瓶振動頻率與敲擊力量無關，與水柱的高度有關，水柱越高，振動頻率越低。

通過實驗四，可以得出玻璃瓶振動頻率與吹氣力量無關，與空氣柱的長度有關，空氣柱越長，振動頻率越低。

結合以上實驗結果發現，聲音的大?。ㄕ穹┦怯赏饬Q定的，力量越大，聲源振動幅度越大，發出的聲音越響；聲音的頻率是由聲源自身的特征決定的，如長度、質量等，與外力大小無關?？梢钥闯?，特征屬性越大，如長度越長，質量越大等，頻率就越小。

同樣從軟件中顯示的波形圖像可以明顯看出，音色與材料、發聲方式、發聲位置、發聲力量等有關。

三、數字化實驗與傳統實驗的比較

傳統聲學實驗中往往以眼耳去看去聽的方式探究聲音的音調、響度、音色三大特性。從培養學生核心素養的角度來看，明顯是不夠的。有些教師利用示波器來探究影響聲音的因素。然而示波器自身體積龐大、質量較重，圖像的解讀初中學生不容易理解。倘若采用智能手機中的DIS系統來探究聲音的特性，只需要攜帶一部裝有“Phyphox”App的智能手機。同時，相對于傳統實驗極大地提高了測量的準確性和結論的可靠性。相對于數字化實驗的其他平臺，智能手機除了具有靈敏度高、操作簡單等共性外，智能手機自帶多種傳感器，體積小便攜帶、功能多樣等特有的特點。

基于傳感器技術的數字化技術很大地拓寬了初中物理實驗路徑，不但可以半定量、定量地研究問題，還可以適當拓展，如：可以借助智能手機測量鋼尺的振動頻率與其伸出桌面長度的關系、玻璃瓶的振動頻率與水深的關系、空氣柱的振動頻率與空氣柱長度的關系等。將DIS系統作為一種新的實驗工具用于物理實驗教學，具有可行性，同時能有效地吸引學生注意力，提高學生的學習興趣，提升課堂教學效率。

參考文獻：

[1]洪葉，高雷.基于智能手機軟件Ｐｈｙｐｈｏｘ在中學物理實驗應用的研究———以“聲音的特性”為例[J].物理教師，2022，43（1）：70[CD*2]72，76.

[2]黃永杭.關于鋼尺振動頻率的研究[J].物理通報，2020，5：93[CD*2]95.

責任編輯：黃大燦