基于實(shí)驗(yàn)探究的“聲音的特性”教學(xué)設(shè)計(jì)

馬 靜 喻梅琴 張軼炳*

(1. 寧夏大學(xué)物理與電子電氣工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021； 2. 寧夏銀川市第六中學(xué)，寧夏 銀川 750021)

1 引言

教育部新頒發(fā)的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》中提出:物理核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受物理過程中逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力,是學(xué)生通過物理學(xué)習(xí)內(nèi)化的帶有物理學(xué)科特性的品質(zhì)．物理核心素養(yǎng)主要由“物理觀念”、“科學(xué)思維”、“科學(xué)探究”、“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”等4個(gè)方面的要素構(gòu)成．其中,提出科學(xué)探究的目的就是為了培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α@取處理信息的能力以及會(huì)利用證據(jù)得出結(jié)論、做出解釋的能力,意在提醒教師從本質(zhì)上培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維．物理探究實(shí)驗(yàn)可以培養(yǎng)學(xué)生觀察、動(dòng)手、動(dòng)腦的能力,其最重要的一個(gè)特點(diǎn)是加強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和鞏固,但是把物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象轉(zhuǎn)換為物理學(xué)的原理是一個(gè)艱難的過程,如果轉(zhuǎn)換不到位,實(shí)驗(yàn)就成了學(xué)生看熱鬧的過程,實(shí)驗(yàn)過后并不能幫助學(xué)生理解概念,實(shí)驗(yàn)和理論成“兩張皮”,概念仍然是死記硬背．例如“音調(diào)”與“響度”的概念,音調(diào)是指聲音的高低,而“響度”是指聲音的大小,如果不讓學(xué)生通過探究實(shí)驗(yàn)去理解“音調(diào)”與“響度”的概念,就很容易混淆,從而導(dǎo)致概念錯(cuò)誤．

2 “聲音的特性”教學(xué)設(shè)計(jì)

“聲音的特性”是在學(xué)生完成聲音的產(chǎn)生與傳播等物理知識(shí)的基礎(chǔ)上,對(duì)聲音的進(jìn)一步描述,既是前面知識(shí)的拓展與延伸,也為后面的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ),這部分知識(shí)對(duì)整個(gè)章節(jié)起到引領(lǐng)和鋪墊的重要作用．下面筆者通過設(shè)計(jì)一系列相關(guān)實(shí)驗(yàn)和探索活動(dòng),引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)和理解聲音的特性．

2.1 利用高腳杯發(fā)聲,引入新課

圖1 高腳杯發(fā)聲

演示實(shí)驗(yàn)1： 教師出示一個(gè)裝滿水的高腳杯,沾濕手指,輕輕摩擦高腳杯杯口,讓高腳杯發(fā)出聲音,再出示一個(gè)裝水較少的高腳杯,讓高腳杯發(fā)出聲音,如圖1所示,請(qǐng)學(xué)生們聽這兩個(gè)聲音有什么不同．(高腳杯裝水量不同,撫摸杯沿發(fā)出聲音的高低不同)學(xué)生聆聽,并結(jié)合自己的感受體會(huì),裝滿水的高腳杯發(fā)出聲音較低沉,裝水較少的高腳杯發(fā)出聲音較尖細(xì)．

引出概念： 通過實(shí)驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)，聲音是有高低之分的,在物理學(xué)中,我們把聲音的高低就叫做音調(diào)．

演示實(shí)驗(yàn)2： 利用手機(jī)作為教具,(下載琴音練習(xí)軟件)如圖2所示．教師彈奏音階,學(xué)生判斷音調(diào)高低,并判斷“那么高的音我唱不上去,那么低的音我唱不出來”這句話指的是什么．

圖2 琴音練習(xí)軟件

歸納總結(jié)引導(dǎo)： 利用手機(jī)作為教具來強(qiáng)化音調(diào)的概念,要求學(xué)生理解物理學(xué)中的用語要清楚準(zhǔn)確,含義唯一,不能產(chǎn)生歧義．本環(huán)節(jié)主要實(shí)現(xiàn)知識(shí)與技能目標(biāo),讓學(xué)生說出音調(diào)的概念．

2.2 探究音調(diào)的影響因素

演示實(shí)驗(yàn)3： 由于鋼尺振動(dòng)速度較快,學(xué)生不易觀察(圖3),因此利用改進(jìn)實(shí)驗(yàn)儀器發(fā)音齒輪來探究音調(diào)與發(fā)聲體振動(dòng)的關(guān)系．使兩個(gè)不同的齒輪同軸轉(zhuǎn)動(dòng),一個(gè)齒輪有80個(gè)齒,另一個(gè)齒輪有40個(gè)齒,接通電源,把硬紙板輕輕放在齒輪邊上,使紙板振動(dòng),如圖4所示,仔細(xì)聆聽紙板發(fā)聲的音調(diào),為什么會(huì)有高低不同的聲音?小組交流,完成表1.

圖3 撥動(dòng)鋼尺

圖4 改進(jìn)的發(fā)音齒輪

表1 發(fā)音齒輪探究音調(diào)的影響因素

齒輪齒數(shù)40齒80齒單位時(shí)間振動(dòng)次數(shù)多少少多振動(dòng)快慢慢快音調(diào)高低低高

歸納總結(jié)引導(dǎo)： 由表3可知，音調(diào)的高低與振動(dòng)的快慢有關(guān)．振動(dòng)越快音調(diào)越高,振動(dòng)越慢音調(diào)越低．音調(diào)的高低是由物體的振動(dòng)快慢來決定的,在物理學(xué)中,有一個(gè)專用的名詞——頻率來描述物體的振動(dòng)快慢,頻率是指物體1s內(nèi)振動(dòng)的次數(shù),它的單位是赫茲(Hz)．

設(shè)計(jì)意圖： 本環(huán)節(jié)將主要實(shí)現(xiàn)過程與方法目標(biāo),讓學(xué)生經(jīng)歷發(fā)音齒輪實(shí)驗(yàn),知道影響音調(diào)的因素．

學(xué)生探究： 體會(huì)物體振動(dòng)快慢對(duì)音調(diào)的影響,如圖5所示．小組討論思考并親自實(shí)驗(yàn),如何用硬紙片和梳子來證明音調(diào)的高低是由物體的振動(dòng)快慢來決定的?

圖5

圖6

分析原因： 用硬紙片撥動(dòng)尺子,通過快撥和慢撥梳子來驗(yàn)證音調(diào)的高低是由物體的振動(dòng)快慢來決定的,撥動(dòng)越快,紙片振動(dòng)越快,音調(diào)就越高;反之,音調(diào)越低．

學(xué)生活動(dòng)： 向?qū)W生介紹不同頻率的音叉,如圖6所示．讓學(xué)生猜測(cè)那個(gè)音叉發(fā)出的聲音音調(diào)更高,哪個(gè)更低,最后再通過實(shí)驗(yàn)演示．

歸納總結(jié)引導(dǎo)： 這是實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)的音叉,較短的音叉頻率為512 Hz,它表示這個(gè)音叉在1 s內(nèi)能夠振動(dòng)512次;而較長(zhǎng)的音叉頻率是256 Hz.這就表明這個(gè)音叉在1 s內(nèi)能夠256次．我們先分別敲擊512 Hz的音叉和256 Hz的音叉,可以聽出512 Hz的音叉的音調(diào)較高,256 Hz的音叉的音調(diào)較低.這就充分說明了音調(diào)越高,物體的振動(dòng)越快,音調(diào)越低,物體的振動(dòng)越慢．

視頻播放： 播放高腳杯演奏視頻,學(xué)生聆聽,感受音調(diào)與頻率之間的關(guān)系．

歸納總結(jié)引導(dǎo)： 看完了高腳杯的演奏視頻,我們可以發(fā)現(xiàn)，如果準(zhǔn)備很多高腳杯,并且倒入不同高度的水,那么我們也可以演奏出悅耳動(dòng)聽的樂曲．高腳杯能夠發(fā)聲,就是因?yàn)樵谀Σ粮吣_杯的杯口時(shí),高腳杯就發(fā)生了振動(dòng),由于空氣柱高度不同,所以發(fā)出的聲音音調(diào)也不同．

設(shè)計(jì)意圖： 激起學(xué)生課后用高腳杯制作小樂器的興趣,讓學(xué)生更加喜歡物理,并且感受到物理在生活中的廣泛應(yīng)用．本環(huán)節(jié)將主要實(shí)現(xiàn)情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo),讓學(xué)生體會(huì)物理學(xué)中聲音與生活中的聲音,體現(xiàn)“從生活走向物理,從物理走向社會(huì)”的教學(xué)理念．

下面應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題.

問題1： 生活中常見的樂器為什么能發(fā)出音調(diào)不同的聲音?

圖7

圖8

歸納總結(jié)引導(dǎo)： 在生活中,我們常見的很多樂器的發(fā)聲原理都是空氣柱振動(dòng),如口琴、笛子、薩克斯等管樂器(如圖7),這些樂器都是通過改變空氣柱的高度來改變音調(diào)的;除了空氣柱振動(dòng)發(fā)聲外,還有弦振動(dòng)發(fā)聲,如吉他、小提琴、二胡等弦樂器(如圖8),這些樂器都是通過改變弦的長(zhǎng)度來改變音調(diào)的高低．

問題2： 通過表2,并結(jié)合剛才所講的內(nèi)容,思考為什么我們?nèi)祟惪梢月犚娚n蠅翅膀振動(dòng)的聲音而聽不見蝴蝶翅膀振動(dòng)的聲音呢?

表2 昆蟲翅膀振動(dòng)的頻率(Hz)

歸納總結(jié)引導(dǎo)： 通過表格可以發(fā)現(xiàn)，蚊子的翅膀振動(dòng)頻率最大為640 Hz,而蝴蝶的翅膀振動(dòng)頻率為6 Hz,但是由于人耳的聽覺頻率是有范圍的,在20 Hz～20000 Hz之間,而蝴蝶的翅膀振動(dòng)頻率是次聲波,所以人類聽不到;蚊子的翅膀振動(dòng)頻率則在人耳聽覺頻率范圍內(nèi),所以人能夠聽到蚊子的聲音．在物理學(xué)中,我們把小于20 Hz的頻率叫做次聲波,把大于20000 Hz的頻率叫做超聲波．尼泊爾地震前一天孟加拉虎罕見跑進(jìn)空曠地,它們基本沒有傷亡,這就是因?yàn)槊霞永⒛軌蚋惺艿降卣饋砼R之前的次聲波,所以才會(huì)逃離地震保護(hù)自己．

設(shè)計(jì)意圖： 培養(yǎng)學(xué)生思考問題的能力,并且感受到生活中的物理,對(duì)于“頻率”這一概念強(qiáng)化理解．本環(huán)節(jié)將主要實(shí)現(xiàn)情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo),讓學(xué)生解釋生活中的現(xiàn)象．

圖9

過渡： 利用聲音傳感器實(shí)驗(yàn)來過渡到對(duì)響度的探究,重點(diǎn)介紹聲音傳感器,如圖9所示,首先讓學(xué)生感受生活中的聲音產(chǎn)生的波形圖．

2.3 探究響度影響因素

學(xué)生活動(dòng)： 觀察生活中聲音的波形圖,例如人講話時(shí)的波形圖,如圖10;音樂波形圖,如圖11所示．讓學(xué)生體驗(yàn)、感受生活中的聲音頻率是在不斷變化的．

圖10

圖11

2.3.1 探究響度與振幅之間的關(guān)系

演示實(shí)驗(yàn)4： 頻率不同的聲音有著不規(guī)則的波形圖,如果聲音頻率相同,輕敲一下,重敲一下,聲音會(huì)有什么變化呢?仔細(xì)聽,并且猜想還會(huì)有怎樣的波形圖呢?先把頻率為512 Hz的音叉輕輕敲一下,記錄波形圖如圖12、13所示．進(jìn)一步提問:敲擊頻率為512 Hz的音叉展現(xiàn)出來的波形圖與人說話時(shí)展現(xiàn)出來的波形圖有什么不同?

圖12

圖13

分析原因： 敲擊頻率為512 Hz的音叉展現(xiàn)出來的波形圖更規(guī)律,這是因?yàn)橐舨娴念l率是一定的,就說明它在單位時(shí)間里振動(dòng)的次數(shù)是一樣的．

歸納總結(jié)引導(dǎo)： 我們發(fā)現(xiàn),聲音不僅有高低之分,還有大小強(qiáng)弱之分,在物理學(xué)中,我們把聲音的大小叫做響度．傳感器實(shí)驗(yàn)主要是將聲信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào),發(fā)出的聲音能夠通過聲音采集器來將聲音采集并且在電腦上展示出波形圖．橫軸代表時(shí)間,縱軸代表物體振動(dòng)的幅度,觀察波形圖,很容易發(fā)現(xiàn),聲音越大,物體振動(dòng)幅度越大,聲音越小,物體振動(dòng)的幅度越?。谖锢韺W(xué)中,用一個(gè)物理名詞來描述物體振動(dòng)的幅度,叫做振幅,即物體的響度與振幅有關(guān),并且振幅越大,響度越大;振幅越小,響度越?。?/p>

設(shè)計(jì)意圖： 引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,通過現(xiàn)象看本質(zhì),能夠通過小組討論的方式得出正確的結(jié)論,培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)腦思考的習(xí)慣,同時(shí)強(qiáng)調(diào)控制變量在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程的重要性,將物理學(xué)探究思維貫穿整個(gè)課堂．

2.3.2 探究響度與距離發(fā)聲體遠(yuǎn)近的關(guān)系

響度除了與振幅有關(guān),還與什么因素有關(guān)呢?

演示實(shí)驗(yàn)5:利用傳感器,拿出頻率單一的發(fā)聲體,保證頻率相同,將發(fā)聲體靠近或遠(yuǎn)離聲音采集器,觀察波形圖14、15.

分析原因： 頻率單一的發(fā)聲體距離聲音傳感器越遠(yuǎn),波形圖的振幅越小,即響度越小;發(fā)聲體距離聲音傳感器越近,波形圖的振幅越大,即響度越大．由此可知，接收處聲音響度的大小與距離發(fā)聲體的遠(yuǎn)近有關(guān),并且距離越近,響度越大;距離越遠(yuǎn),響度越小．

圖14

圖15

2.3.3 探究響度與發(fā)散程度的關(guān)系

演示實(shí)驗(yàn)6： 錐形紙筒能夠?qū)⒎稚⒌穆曇魰?huì)聚,如圖16,選取頻率單一的發(fā)聲體,控制發(fā)聲體發(fā)聲的音調(diào)相同,改變聲音的分散程度,數(shù)據(jù)采集器采集到信息,傳輸給計(jì)算機(jī),如圖17,分別得到聲音響度大小不同的振動(dòng)曲線,觀察振幅,如圖18、19所示．

圖16

圖17

圖18

圖19

分析原因： 對(duì)于發(fā)聲頻率不變的發(fā)生器,當(dāng)有錐形紙筒會(huì)聚聲音時(shí),振幅更大,即響度更大,所以,響度的大小與分散程度有關(guān)．

設(shè)計(jì)意圖： 本環(huán)節(jié)將主要實(shí)現(xiàn)過程與方法目標(biāo),讓學(xué)生經(jīng)歷聲音傳感器實(shí)驗(yàn),知道響度的影響因素,進(jìn)一步體會(huì)科學(xué)探究式學(xué)習(xí)的方法與樂趣．

3 結(jié)束語

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果上可以看出,利用DIS數(shù)字化信息系統(tǒng)來幫助學(xué)生進(jìn)一步滲透科學(xué)探究式學(xué)習(xí),充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用,讓學(xué)生在合作、交流中完成學(xué)習(xí)．本節(jié)課物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單易行,學(xué)生通過探究實(shí)驗(yàn)掌握基本概念,并且學(xué)會(huì)利用物理知識(shí)解決生活問題,達(dá)到教學(xué)目標(biāo)．

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