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  一、提出问题

 

  在人教版物理教材《声现象》一章中,有一个“水瓶琴”的动手动脑的活动,其活动要探究的两个主要问题是:“声是如何产生的”及“决定音调高低的因素是什么”,在处理这个习题时,我没有告诉学生答案,而是拿出实验器材,引导学生探究以下几个问题:

 

  1.敲瓶发声主要是什么物体震动产生的?

 

  2.敲瓶发声的音调跟瓶内水的多少是什么关系?

 

  3.随着瓶内水的增多,敲瓶发声的音调和吹瓶发声的音调变化又有何不同呢?

 

  二、猜想

 

  我将问题一一写在黑板上,引导学生对问题的答案进行猜想:

 

  1.瓶子发声主要是什么物体震动产生的?学生提出的猜想有:A.瓶子震动;B.瓶内水震动;C.瓶内空气柱震动;D.瓶子、水、空气柱共同震动。

 

  2.瓶子发声的音调跟瓶内水的多少是什么关系?学生提出猜想是:A.水越多,瓶子发出的声音音调超高;B.水越多,瓶子发出的声音音调越低;B.跟水的多少无关。

 

  3.随着缩口瓶内水的增多,敲瓶发声的音调和吹瓶发声的音调变化又有何不同呢?大多数学生感到茫然,认为应该是一样的。

 

  三、实验

 

  问题有了,猜想也有了,答案到底是什么呢?

 

  1.瓶子发声主要是什么物体震动产生的?是瓶子?是瓶内水?是瓶内空气柱?我们的手头有没有仪器可以用来辨别呢?没有!能用我们的眼睛看出来吗?能用我们的耳朵听出来吗?不能啊!能不能用排除法逐个排除呢?

 

  学生甲:我们可以将瓶子装满水后用筷子敲击瓶子,若瓶子仍能发出声音,就可以将“瓶内空气柱震动发声”排除。

 

  聪明!瓶内没有了空气,瓶子发声怎么能说是空气震动产生的呢!

 

  学生乙:利用甲的方法,将瓶内水全部倒出后用筷子敲击瓶子,若瓶子仍能发出声音,就可以将“瓶内水震动发声”排除。

 

  以此类推,你的数学一定很棒!

 

  看来敲瓶发声,主要是瓶子的震动产生的。是不是瓶内空气柱和瓶内水就不随瓶子一起震动呢?当然不是!它们也会产生震动,但不是主要的发声体。

 

  2.瓶子发声的音调跟瓶内水的多少是什么关系?是“水越多,瓶子发出的声音音调超高”?还是“水越多,瓶子发出的声音音调越低”?还是“跟水的多少无关”?用什么办法可以得到答案呢?能用上面的方法吗?

 

  学生乙:我们可以用实验来验证!

 

  怎么个验证法?你说我做好吗?

 

  学生乙:先将8个空的啤酒瓶子放到桌子上一字摆开,再在瓶内注入不等量的水,从左到右,瓶内注入的水逐渐增多,最后用筷子从左到右依次敲击瓶口,同时用耳朵仔细听,就能辨别音调的高低。

 

  多么清晰的表白!我为我有这样的学生而深感自豪!我提高了声音的分贝,说:我从左到右连续敲瓶口三遍,请同学们仔细听。

 

  有了答案的请举手回答!话音刚落,每一个学生都举起了手。

 

  音乐委员:依次敲击瓶口,瓶内的水越多,音调越低。

 

  第二个问题已经解决,那么,第三个问题呢?

 

  3.随着瓶内水的增多,敲瓶发声的音调和吹瓶发声的音调变化又有何不同呢?

 

  学生丙:可以采用乙的方法,先将8个空的啤酒瓶子放到桌子上一字摆开,再在瓶内注入不等量的水,从左到右水越来越多,最后用嘴从左到右依次吹瓶口,同时用耳朵仔细听,就能辨别音调的高低。

 

  OK,请你上台演示好吗?

 

  吹瓶发声的音调跟水的多少是什么关系?班上的一位小歌手马上站了起来。

 

  小歌手:吹瓶发声时,瓶内水越多,音调超高!

 

  随着瓶内水的增多,敲瓶发声的音调变化和吹瓶发声的音调变化为什么相反呢?原来,敲瓶发声主要是瓶子本身震动产生的,音调的变化跟玻璃的长短、粗细有关;而吹瓶发声主要是瓶内空气柱震动产生的,音调的变化跟空气柱的长短有关。

 

  可见,探究性的习题,一定要动手探究,才能得到准确的答案。

 

  四、结论

 

  1.敲瓶发声主要是瓶子本身震动产生的。

 

  2.敲瓶发声的音调随着瓶内水的增多而变低。

 

  3.随着瓶内水的增多,吹瓶发声的音调随着瓶内水的增多而变高。

 

  五、应用

 

  1 某同学用5只粗细相同而高矮不同的瓶子做如下实验:如图1所示,用嘴分别对着5 只瓶口吹气,发现瓶子越高,发出的音调越低。由此现象,你认为:

 

  (1)嘴对5只瓶口吹气,5只小瓶均发出声音的原因是什么?

 

  (25只小瓶产生不同音调的原因是什么?

 

 

  解析:首先明确本题中研究的对象是参与振动的瓶中的空气柱。而我们知道:一个物体质量越小、绷得越紧、长度越短、截面积越细,它的振动频率就越高,因而音调也就越高。按从左到右的顺序来看,参与振动的空气柱越来越短,因而音调越来越高。这种现象的一个应用就是吹笛子(如图2)。笛子能奏出不同音调的声音,就是由于吹气引起笛腔中空气柱振动。吹笛时,用手指堵住不同的笛孔来改变空气柱的长度,从而改变空气柱振动的快慢,进而改变音调的高低。

 

  答案:1)由瓶内空气柱的振动产生的。(2)由于空气柱的长短不同,空气柱振动的频率不同。

 

  2 如图3,在几个相同的瓶子中,装有深度不同的水,当用筷子从左向右依次敲击各个瓶口时,发出声音的_________是不同的,并且是逐渐变_____,如果用嘴向瓶口吹气,则逐渐变_____

 

 

  解析:这是“音乐水杯”实验。敲击时,研究的对象是参与振动的瓶子和水柱。从左到右看,水柱的长度逐渐变长,因而频率降低,音调降低。而吹气时,研究的对象变为液面上方的空气柱,从左到右看,空气柱的长度越来越短,因而音调越来越高。

 

  答案:音调   

 

  3 如图4,用水壶向暖水瓶里灌开水,凭声音就可以知道暖水瓶是否将要灌满了,你知道这是什么道理吗?

 

 

  解析:这种现象我们叫做“暖水瓶唱歌”。我们关注的对象是瓶里的空气柱。“暖水瓶唱歌”的道理很简单:灌水的时候,瓶里的空气受到振动,发出声音,这部分空气就是声源。开始的时候里边的空气多,空气柱长,它振动起来比较慢,频率低,发出的音调也就低了,水越灌越多,空气越来越少,空气柱越来越短了,短空气柱和短琴弦一样,是急脾气,振动得快,频率高,音调也就变高了。

 

  后记

 

  这本来是一个非常好的探究性习题:实验取材方便、操作简单、效果明显。由于教参上没有给出答案,许多老师在处理这个习题时,不是通过实验去得出正确的结论,而是想当然或人云亦云:左边水最少的瓶子发出的声音音调最低,右边水最多的瓶子发出的声音音调最高。这样,在学生的潜意识里,就将一个错误当成了真理。

 

  例:2005年广西柳州市、北海市中考物理试题的选择题第11题,原题如下:

 

  如图所示,8个相同的水瓶中灌入不同高度的水,敲击它们,可以发出“1234567”的声音来。这些声音产生的原因和决定音调的因素分别是(    

 

 

  A.水振动,水的高度

 

  B.水振动,瓶内空气柱的高度

 

  C.瓶内空气振动,水的高度

 

  D.瓶内空气振动,瓶内空气柱的高度

 

  答案:D

 

  此题已经被国内多家出版社出版的教辅用书编写入内。似乎已经成为比较“经典”的一道好题而广为流传。

 

  为了进一步证实“敲击瓶口,瓶内的水越多,音调越低”。笔者利用几个500ml啤酒瓶来做“测量敲击水瓶时听到的声音的频率”的实验,测量仪器用的是虚拟示波器软件eshow,用电脑的耳麦收集声波加以处理,实验结果如下:

 

水量

不装水

装约1/4的水

装约1/2的水

装约3/4的水

装满水

频率

3219Hz

3122Hz

2540Hz

2164Hz

1991Hz

 

  以下是从电脑屏幕上的截图:

 

  图一:不装水时瓶子发声的波形图

 

 

  图二:装约1/4时瓶子发声的波形图

 

 

  图三:装约1/2时瓶子发声的波形图

 

 

  图四:装约3/4时瓶子发声的波形图

 

 

  图五:装满水时瓶子发声的波形图

 

 

  实验结果充分说明,同样的瓶子,装水越多,振动频率越低,发声的音调也就越低。

 

  笔者用上述方法处理这道习题,是基于“教材只是师生对话的一个话题”的教学思想,这种处理就是对课程内容的最好开发,课堂教学过程因此成了课程开发与创生的过程。通过对课程的开发和创生,让学生亲自去感受、亲自去体验,亲自去解读;通过对课程的开发和创生,充分激发学生的兴趣和内动力,弘扬学生的主体性,习题课不再枯燥乏味,而变得生动有趣;通过对课程的开发和创生,让学生深刻领会知识积累的科学价值,帮助学生树立正确的科学观、价值观,全面落实课程的三维目标。显然,在这样的开发和创生中,教师不再只是课程的传递者和执行者,更是课程的开发者、创生者。

 

  每—条通向真理的道路都充满着荆棘;每一次科学的伟大发现,也许就是从最平凡的事实开始!在科学探索的道路上,当你发现问题的时候,当你有一种新的猜测的时候,要得到答案,最好的办法就是实践。只有实事求是、坚持实践,才能发现真理。

    
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