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  声现象中的探究实验较多,在突出科学探究内容的同时,还要重视对研究方法的指导,使同学们在进行科学探究,学习物理知识的同时,形成科学探究能力。与此相关的探究实验及方法,逐渐成为考查的重要内容。

 

  一、用控制变量法探究影响声音音调的因素

 

  我们在研究物理问题时,某一物理量往往与多个因素有关,为了确定该物理量与各个不同因素之间的关系,就需要控制某些因素,使它们保持不变,只改变其中的一个因素从而寻找出该物理量与这个因素之间的关系,这就是“控制变量法”。“控制变量法”是物理科学探究中最常用的一种方法。运用控制变量法的一般步骤是:1.假设变量(ABC);2.选择研究变量(A);3.确定控制变量(BC)。

 

  1在学习吉它演奏的过程中,小华发现琴弦发出的声音的音调高低是受各种因素影响的,他决定对此进行探究。经过和同学们讨论,提出了以下猜想:

 

  猜想1:琴弦发出的声音的音调高低,可能与琴弦的横截面积有关;

 

  猜想2:琴弦发出的声音的音调高低,可能与琴弦的长短有关;

 

  猜想3:琴弦发出的声音的音调高低,可能与琴弦的材料有关。

 

  为了验证上述猜想是否正确,他们找到了下表所列9种规格的琴弦。

 

编号

材料

长度/cm

横截面积/mm2

A

60

076

B

60

089

C

60

102

D

80

076

E

 

 

F

100

076

G

80

102

H

尼龙

80

102

I

尼龙

100

102

 

  因为音调的高低取决于声源振动的频率,于是他们又借来一个能够测量振动频率的仪器进行实验。

 

  (1)为了验证猜想1,应选用编号为_________________________________的琴弦进行实验。

 

  为了验证猜想2,应选用编号为_________________________________的琴弦进行实验。

 

  表中有的材料规格还没有填全,为了验证猜想3,必须知道该项内容。请你在表中填上所缺数据。

 

  (2)随着实验的进行,小华又觉得琴弦音调的高低,可能还与琴弦的松紧有关,为了验证这一猜想,必须进行的操作是:___________

 

  解析:首先要从给定的文字信息上,明确影响声音的几个可能因素:材料、弦的长短、弦的横截面积、拔弦用力大小、弦的松紧程度,然后根据表格中的信息解决本题。对于猜想1的验证,需要控制“材料、弦的长短、拨弦用力大小、弦的松紧程度”相同,改变“弦的横截面积”;对于猜想2的验证,需要控制“材料、弦的横截面积、拨弦用力大小、弦的松紧程度”相同,改变“弦的长短”;对于猜想3的验证,需要控制“弦的长短、弦的横截面积、拨弦用力大小、弦的松紧程度”相同,改变“材料”;对于(2)问,同样是这样思考。因此,掌握“控制变量法”是解答本题的关键。

 

  答案:1ABCADF80102

 

  (2)取上述任意编号的一种琴弦,调整其松紧程度,用同样的力分别拨动琴弦,比较其音调的高低,然后分析得出结论。

 

  例2用如图所示的实验来“探究决定声音高低的因素”。将钢尺一端紧压在桌面上,拨动伸出桌边钢尺的另一端,听它振动发出的声音。改变钢尺伸出桌边的长度,再次拨动。注意使两次的振动幅度大致相同。钢尺伸出桌面越长,钢尺振动得越________,音调也越________。这说明音调和频率之间的关系是_____________________

 

 

  解析:本题实验设计思维方法运用了控制变量法。应用控制变量法的习题有两类:一种是应用控制变量法去分析实验数据,在归纳物理量与某一因素的关系时,应控制其他因素的数据相同。另一种是应用控制变量法去设计实验,实验设计过程中只改变影响物理量的某一因素,其他因素应该控制相。

 

  由于声音有三个特征,而各特征由不同的因素所决定,所以在“探究决定声音高低的因素”时应控制影响声音音色的因素、控制影响声音响度的因素,即实验时使用同一根钢尺、让钢尺振动幅度相同,只改变钢尺振动的频率.通过实验发现钢尺两次的振动幅度大致相同时,随着钢尺伸出桌面的长度变化,其振动的快慢也随之变化,相对应的音调也发生了变化。

 

  答案:慢,低,声源的振动频率越大音调越高

 

  二、用转换法探究影响声音响度的因素

 

  借助其他辅助仪器,将不易观察的微小量或不易直接测量的物理量转换为易观察、易测量的物理量,这种设计实验、研究问题的方法叫做转换法。

 

  例3将系在细线上的乒乓球靠近音叉,用如图所示的装置来“探究声音产生”。

 

  (1)用小锤敲击音叉,既能听到音叉发出的声音,又能观察到______________,通过实验现象得出的结论是___________________

 

  (2)若加大敲击音叉的力度,音叉发出的声音_______,看到乒乓球_______,这说明___________________

 

 

  解析:这个实验探究采用了“转换”的思想。“转换法”是把看不见、摸不着的东西,或者不易直接观测认识的问题,转变成能看得见、有明显效果的现象来研究的方法,它是声现象的探究中经常采用的方法之一。转换法作为一种思维方式时常在分析、解决问题时用到。

 

  本题探究声音的产生,目的在于说明声音由物体的振动而产生,振动幅度越大声音的响度也越大。为此,设计实验、观察现象就要围绕“发声的音叉在振动”这个目标。但音叉的振动不易观察到,而音叉振动幅度的变化就更不易比较。轻质小球被正在发声的音叉反复弹起,说明发声的音叉在振动。实验把音叉的微小振动,转换成了轻质小球的摆动,把微小的振动放大了,便于观察。将不易观察到的音叉的振动转化为乒乓球的振动,这为顺利“探究声音产生”解决了难题。

 

  答案:1)乒乓球的振动,发声的物体在振动;(2)响度变大,振动的幅度变大,声音的响度随振动幅度的变大而变强。

 

  三、用观察比较法探究声音的产生

 

  所谓观察比较法就是在对各种物理现象、物理实验进行观察的基础上,和认定的标准(或对象)进行比较而得出结论的一种方法。运用观察比较法的一般步骤是:1.认定标准(法则);2.观察现象(对象);3.将观察到的现象与认定的标准进行比较;4.得出结论。

 

  4聂利同学从《十万个为什么》书上知道:蜜蜂的嗡嗡声来自翅膀的振动。可有一天她来到养蜂场,发现箱外的蜜蜂似乎在休息,并没有振动翅膀,可嗡嗡声不绝于耳。后又发现蜜蜂歇在花上,翅膀一动不动,仍有嗡嗡的声音。她感到很疑惑,难道书上写错了吗?于是她决定用实验的方法去研究……她做了下表中“剪去蜜蜂双翅”的实验,发现蜜蜂的嗡嗡声没有变化。经观察,她发现蜜蜂嗡嗡叫时,蜜蜂双翅根部的两个“小黑点”在鼓动。她猜想:“小黑点”可能就是蜜蜂的发声器官.于是她又做了下表中刺破蜜蜂双翅根部“小黑点”的实验,发现蜜蜂不再发声。请简要回答下列问题:

 

实验名称

实验总数

死亡数

发声数量

声音大小

剪去蜜蜂双翅的实验

8

2

6

没有变化

刺破蜜蜂双翅根部“小黑”的实验

8

2

0

没有声音

 

  (1)根据聂利同学的实验研究,关于蜜蜂的发声你可得出什么结论?

 

  (2)我们从聂利同学的研究过程中可以学到什么?

 

  解析:在本题中,认定的标准是:发声的物体在振动;观察到的现象是:蜜蜂的翅膀没有振动,而刺破蜜蜂双翅根部“小黑点”后发现蜜蜂不再发声;通过比较可以推测“小黑点”才是发声体,由此得出结论:蜜蜂的发声不是靠翅膀的振动,而是靠“小黑点”的振动。

 

  答案:1)蜜蜂的发声不是靠翅膀的振动;(2)学习他尊重事实,不迷信权威,敢于质疑,执着探究,仔细观察,多做实验等。

 

  四、用推理法探究声音的传播条件

 

  “理想推理法”就是对一些受到限制而不能完全达到实验要求的情况,通常采用研究其变化趋势,观察当条件越来越接近要求时,现象会怎样变化。即在实验事实的基础上,通过合理的分析想象,直至归纳总结得出结论或规律的一种思维方法。

 

  5如图所示:随着玻璃罩内的空气被逐渐抽出,电子闹铃的声音逐渐变小直至听不到,这说明声音可以在 _________中传播,而不能在_________中传播。小明同学在做该实验时,虽然听到的铃声逐渐变小,但始终都能听到铃声。请你分析原因可能是:___________________

 

 

  解析此题为我们展示了“实验──分析──推理”这样一个探究科学问题的思维程序。要研究声音不能在真空中传播,但实验时很难达到绝对的真空,因此,可以在实验的基础上,进行合理的推理,从而使我们对事物的认识深入本质。研究当玻璃罩内的空气越来越少,越来越接近真空时,声音会越来越小,从而推断出如果是真空会听不到声音。

 

  当玻璃罩内的空气没有抽时,能听到闹铃的声音,说明声音能在空气中传播。在空气被渐抽出后,空气越来越少,闹铃的声音逐渐变小直至听不到,说明声音不能在真空中传播。引导学生进行合理的分析推理:如果没有空气,将听不到声音。进而得到结论:“声音的传播需要介质,真空中不能传声”

 

  答案:空气、真空。原因由于玻璃钟罩气密性、抽气筒等原因,不可能将玻璃钟罩完全抽成真空,所以仍能听到声音。

    
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