基于地方課程資源的物理跨學科實踐設計
——銅犴發聲原理探究與拓展

王貴林

(云南省昆明市第一中學西山學校,云南 昆明 650100)

1 項目背景

云南省昆明市盤龍江銅犴最初鑄造于清嘉慶年間.咸豐七年,即1857年被毀,同治三年,即1864年昆明的士紳又重新鑄造銅犴,距今已有150余年歷史.銅犴最初放置在一座古寺中,俗稱“金牛寺”,銅犴鑄成之初,其腹下有深井直通盤龍江,由于銅犴的特殊構造,發大水時它便會發出嗡鳴聲,就如同向人們發出水患警報,于是有了“金牛吼三聲,水淹大東門”的古話.近代以來,幾經戰亂遷移,銅犴如今安置在盤龍江邊的金牛街上.

如圖1所示,銅犴俗稱金牛或銅牛,質地為銅,俯臥于地,它身長約2.3 m,高約1.5 m.清道光年間戴筠帆編撰的《昆明縣志》中形容:銅犴昂頭向江水,起足做欲斗狀.

圖1

為了鎮住盤龍江水患,清代嘉慶年間,人們在盤龍江邊鑄造了其形似牛而實非牛,頂具獨角的銅犴,用以鎮壓水患和預警水患.銅犴底座的下方有一口水井,井壁通盤龍江,盤龍江漲水的時候,銅身發出嗡鳴,向老百姓報警.“銅犴叫三聲,水淹大東門”是在民間流傳了千百年的災情警示語!

2 項目開發——銅犴發聲原理探究

2.1 現場體驗 提出問題

電視系列片《愛昆明》,是近年來昆明教育電視臺主要打造的精品創作節目.昆明歷史文化系統工程之一——昆明城市歷史視頻系列教材,昆明市中小學生首部德育視頻教材,它面向未成年人思想道德建設,重點培養未成年人愛國主義;是昆明市中小學生深入了解昆明這座城市、喚醒城市記憶、傳承城市血脈的一扇窗口.力爭通過一定的積累,打造出一部較為全面的宣傳家鄉、熱愛家鄉的優質視頻教材.

犴是主管橋梁大水江湖的神獸,因為它是由銅鑄造的,所以叫銅犴,又叫金牛或者銅牛.

科普實驗小組,與昆明教育電視臺和云南省社科院相關專家取得了聯系,由昆明教育電視臺組織,前往盤龍江參觀考察,主持人引導科普小組學生,對銅犴進行觀察,看看它有什么特別的地方.

學生觀察到金牛背部有個小孔,而且金牛肚子很大,中間是空的.主持人引導學生思考,這些特別的地方跟盤龍江水上漲時它會發出聲音是有關系的,為什么江水上漲時它會發出聲音呢?

2.2 猜想與假設

科普實驗小組最開始假想,井內空氣通過孔快速往外流動產生了聲音,但就算空氣往外快速流出產生了聲音,這聲音是連續的,不會出現間斷的“三聲”呀,實踐證明被否定了.另外假想笛子的吹空,是外面空氣流動產生聲音,那為什么會出現“三聲”呢?銅犴外部空氣流動時,通過銅犴背部的小孔,引起銅犴內部空氣柱振動而發聲.當漲水時,銅犴內空氣柱變短,傳入的聲波與反射回來的聲波疊加,形成駐波,聲音加強,銅犴腹部是空的,起到共鳴作用,將聲音放大.

2.3 設計實驗與制訂方案

實驗器材如圖2～4所示,大試管1個(牛頓管改裝,長度大約100 cm),容積為2.5 L透明盛液筒1個,軟皮管1根,帶色水10 L,鐵架臺,音叉1個.如圖5所示,用軟管將透明盛液筒與大試管組裝成連通器,大試管固定在鐵架臺上,然后向礦泉水瓶內注入適量帶色的水,改變透明盛液筒的高度,可以改變大試管內水位的高低,音叉置于大試管口的上方.

圖2

圖3

圖4

圖5

2.4 獲取與處理信息、基于證據得出結論

分工協作:學生1改變水位高低;學生2敲擊音叉;學生3記錄出現共鳴時水位到達的位置.

用牛頓管與軟管形成連通器,改變水位,從而改變了水面上內部空氣柱的長度,然后通過敲擊音叉發聲,做聲源.當水位到一定高度時,音叉振動激起空氣振動產生的聲波與水面反射回來的聲波發生了疊加,水位上漲滿足駐波條件,聲音響度增大,又因為水的上方是空的,產生了共鳴,聲音被放大,水位的變化會引起多次共鳴.

2.5 物理原理

通過科普小組實驗的探究,學生明白了銅犴發聲原理.物理原理銅犴背上的孔有如笛子吹孔,孔上方空氣流動時,振動發出聲音,聲波由銅犴的空腹向下面的深井傳播.這聲音日常不易覺察.盤龍江發大水時,井水上升,改變了內部空氣柱的長度,當水漲到一定高度時,小孔上方空氣振動產生的聲波與水面反射回來的聲波發生了疊加,聲音響度變大,而由于銅犴腹中空,形成了共鳴箱,嗡鳴聲就被放大了,所以漲水時銅犴發聲,聲音就更大了.

以井口向下建立坐標(如圖6所示),設在坐標原點入射波和反射波的初相位相同,都為0.以下理論分析中波沿x軸傳播,遇到水面后反射回井口.兩列波的振幅相同、頻率相等、初相位為0,傳播方向相反.A表示振幅,ω表示角頻率,λ為波長.

圖6

兩列波的運動方程分別為

兩列波疊加后得到

當井口到水面的距離x滿足半個波長的整數倍時(聲音波長約是米的量級),出現波腹疊加后的振幅取最大值.聲音的強度就是聲波的能流密度,可表述為(ρ為空氣密度,u為波數)

從上式可看出,合振幅越大,聲音越強.當河水上漲時,井與河水聯通,井里水面上升,x減小.當x滿足半個波長的整數倍時,銅犴發出吼聲,警示語里邊“三聲”,表示多次發聲的意思.

2.6 交流與評估

科普實驗小組,實驗探究后,做了討論交流,談了各自的收獲及以后通過探究實驗去解決問題.通過本次探究活動,培養了動腦思考,動手操作的能力,實驗科普小組的實驗成果通過昆明教育電視臺進行了展示,培養了學生的自信心,同時對科學本質有了新的認識,對科學的態度與社會的責任得到了加強.通過科普實驗小組的探究,還原了銅犴發聲的原理,解決了困惑多年的問題,在教學工作中實現了跨學科實踐,提高了學生的學習興趣,體現物理的課程理念“從生活走向物理,從物理走向社會”.

實驗是根,正如我國物理教育界的前輩朱正元教授所說:“壇壇罐罐當儀器,拼拼湊湊做實驗.”本實驗取材方便,經濟成本低,成本200元左右,容易普及、推廣.可以在教研組、工作坊內推廣自制教具,培養學生小創造、小發明,提高學生學習物理的熱情.通過科普實驗小組的探究,讓抽象的問題變得直觀化.

3 項目拓展——現代水位報警器制作

弄清楚古代水位報警是我們的責任.現在的水位報警,是通過機械式或磁感應的方法來進行水位的報警,可以是聲光報警或者磁性報警同時控制水泵等設備的啟動或停止.一般水位報警儀由水位探測器、雨量傳感器、報警燈、擴音器、太陽能板和采集傳輸控制器組成.這樣可以通過耳朵聽,眼睛看,數據顯示等全方位地知道報警.

那么現代水位報警器如何制作呢?在物理教師的引導下,科普實驗小組查閱資料,進行思考,制作現代水位器.

實驗器材:主要有電池盒、電池、磁控開關、磁鐵、蜂鳴器、泡沫和導線、透明杯子等.

實驗步驟:(1) 將磁控開關的一端連到電池盒的紅色導線,另一端與一根單獨的紅色導線連接,然后,把蜂鳴器的負極(短腳)連到電池盒的黑色導線,正極(長腳)與磁控開關的紅色導線相連,形成了一個完整的電路(如圖7所示),裝上電池.(2) 將一根長木條用熱熔膠固定在瓶子外部,把電池和蜂鳴器用熱熔膠固定在方木條上,再用熱熔膠磁控開關固定在透明杯外側.(3) 把磁鐵固定在泡沫上,用兩根帶膠皮的硬銅導線穿過泡沫,放進杯子里,使泡沫能夠隨著水面上升或下降.這樣,一個水位報警器就制作完成了(如圖8所示).

圖7

圖8

往杯子里慢慢地倒水,水慢慢往上漲,泡沫和磁鐵也隨著往上浮,到固定磁控開關的位置,蜂鳴器所在電路就形成了一個閉合回路,蜂鳴器開始工作,發出警報.