利用傳感器探究音調(diào)與頻率的關(guān)系

郁志蕓

案例背景：美國(guó)教育技術(shù)CEO論壇第3度（2000）報(bào)告明確指出：“培養(yǎng)21世紀(jì)的能力素養(yǎng)，學(xué)校必須將數(shù)字化內(nèi)容與學(xué)科課程相整合.”而“數(shù)字化內(nèi)容與學(xué)科課程相整合”就是我們通常所說(shuō)的“信息技術(shù)與學(xué)科課程相整合”（信息技術(shù)就是對(duì)數(shù)字化信息進(jìn)行處理的技術(shù)，其處理結(jié)果都是“數(shù)字化內(nèi)容”）.也就是說(shuō)，信息技術(shù)與學(xué)科課程相整合是方法，教育改革和創(chuàng)新人才的培養(yǎng)是我們要達(dá)到的目標(biāo).擁有數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備，就要更好地去開(kāi)發(fā)這些設(shè)備在一線教學(xué)中的運(yùn)用與改進(jìn)，就要改進(jìn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，更新教學(xué)理念不斷創(chuàng)新，推進(jìn)實(shí)驗(yàn)探究的發(fā)展，讓更多的學(xué)生在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中收益.

1問(wèn)題敘述

在蘇科版物理八上第一章第二節(jié)聲音的特性的教學(xué)中，我們引導(dǎo)學(xué)生利用刻度尺進(jìn)行探究，通過(guò)改變刻度尺伸出桌面的長(zhǎng)度，改變尺子的振動(dòng)頻率，并且聽(tīng)音調(diào)的變化，從而得出音調(diào)與頻率的關(guān)系.幾乎每一輪教學(xué)，做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，都會(huì)有學(xué)生提出，看不清尺子振動(dòng)的快慢，不明白為什么伸出長(zhǎng)就振動(dòng)慢，伸出短就振動(dòng)快，這里教師也不可能詳細(xì)介紹這個(gè)原理，這也不是本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容，但畢竟給學(xué)生留下疑惑.于是我們用疏密不同的梳子，或用轉(zhuǎn)速不同的齒輪來(lái)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生能分辨頻率大小，但有學(xué)生就提出來(lái)，為什么不能直接測(cè)出聲源的振動(dòng)頻率呢？這不是比用肉眼觀察更有說(shuō)服力嗎？

2處理對(duì)策

利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備（圖1），我們可以測(cè)出聲源的振動(dòng)頻率.

比如，我們可以測(cè)音叉的頻率：

敲擊音叉，用傳感器收集音叉的聲音（圖2），在電腦上能顯示出這樣的波形（圖3）.

而根據(jù)頻率的定義，我們可以用聲源振動(dòng)的次數(shù)除以振動(dòng)這么多次所用的時(shí)間來(lái)算得頻率.（1）頻率：每秒鐘振動(dòng)的次數(shù).

（2）頻率=振動(dòng)次數(shù)時(shí)間.

振動(dòng)次數(shù)可以通過(guò)選取的聲波的個(gè)數(shù)來(lái)確定，而在橫坐標(biāo)上顯示對(duì)應(yīng)的時(shí)間（圖4）.比如，選取9次振動(dòng)（圖5）.

只需在測(cè)頻率對(duì)話框里輸入波形個(gè)數(shù)9個(gè)，軟件預(yù)先編好的計(jì)算程序模版就會(huì)迅速算出頻率為255.660 Hz（圖6）.

而這個(gè)音叉上的標(biāo)注為256 Hz（圖7）.

可見(jiàn)這種方法對(duì)聲源振動(dòng)頻率的測(cè)量誤差還是很小的.

所以，可以測(cè)量不同音調(diào)的聲音的頻率，來(lái)探究音調(diào)與頻率的關(guān)系.可以選取的聲源很多，除了音叉之外，還可以選取同學(xué)們熟悉的樂(lè)器，比如鋼琴等樂(lè)器.

首先，請(qǐng)同學(xué)依次彈奏三個(gè)音調(diào)不同的音，用聲音傳感器收集（圖8）.

用剛才的方法分別測(cè)出三個(gè)音的聲源振動(dòng)頻率（圖9）.

分析數(shù)據(jù)可以得出：頻率越高，音調(diào)越高.3反思改進(jìn)

3.1數(shù)字化改進(jìn)的優(yōu)勢(shì)

3.1.1數(shù)據(jù)更有說(shuō)服力

此案例一改傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)靠肉眼對(duì)振動(dòng)快慢的觀察，而是直接測(cè)出頻率，用數(shù)據(jù)說(shuō)話，讓實(shí)驗(yàn)結(jié)果更有說(shuō)服力.3.1.2實(shí)驗(yàn)更貼近生活

用鋼琴做實(shí)驗(yàn)，出乎學(xué)生們的意料，沒(méi)想到平時(shí)演奏的樂(lè)器也可以作為實(shí)驗(yàn)聲源，能測(cè)出他們熟悉的不同音調(diào)琴聲的聲源振動(dòng)頻率，已令他們激動(dòng)不已.這大大引起了他們的探究興趣.

3.1.3突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

測(cè)頻率的實(shí)驗(yàn)是對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的一大突破，做到了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不可能做到的事情，測(cè)出了聲音的頻率，大大發(fā)揮了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)，學(xué)生們掌握了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)，在他們未來(lái)的高中乃至大學(xué)的進(jìn)一步學(xué)習(xí)中，對(duì)學(xué)生能力發(fā)展有至關(guān)重要的作用.

3.2數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的不足3.2.1技術(shù)難度.

由于實(shí)驗(yàn)的完成對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力有很大的提高作用，也就意味著對(duì)于參差不齊的生源，不是任何能力水平段的學(xué)生都能夠掌握好數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技能，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的推廣還不夠.

3.2.2分析難度

直接比較頻率值大小并不難，但測(cè)量頻率的過(guò)程并不是非常容易理解的，學(xué)生必須要理解頻率定義，了解公式原理，再去實(shí)際操作，盡管不需要自行計(jì)算，但掌握測(cè)頻率的方法，減小選取波形的誤差，對(duì)學(xué)生的能力都要要求.

3.2.3鋼琴無(wú)法分組

用鋼琴做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，希望能突破學(xué)生們對(duì)聲源選取的局限性，讓物理實(shí)驗(yàn)更貼近生活，但也提高了成本，學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)是不可能使用鋼琴的，這也使這個(gè)實(shí)驗(yàn)不具有普遍性，但通過(guò)多種樂(lè)器實(shí)驗(yàn)比對(duì)，笛子、小提琴等都可以完成測(cè)頻率實(shí)驗(yàn)，還有各種非樂(lè)器聲源，也都可以，所以這個(gè)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)還可以有更多的創(chuàng)新與嘗試.

3.3針對(duì)不足進(jìn)行的改進(jìn)

由于無(wú)法做到學(xué)生全員參與，筆者將此實(shí)驗(yàn)做成了5分鐘的微課，在課上播放，作為這一節(jié)課學(xué)生實(shí)驗(yàn)后的一個(gè)深入理解和鞏固.學(xué)生們非常感興趣，還有學(xué)生希望拿著自己的樂(lè)器來(lái)演奏，測(cè)頻率.最重要的是，本節(jié)課音調(diào)與頻率的關(guān)系是個(gè)重難點(diǎn)，而這個(gè)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，真正測(cè)出頻率，給學(xué)生留下了深刻的印象，他們對(duì)“頻率越高，音調(diào)越高”這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)論印象深刻.