利用智能手機(jī)演示聲波的相關(guān)實(shí)驗(yàn)

劉銀奎

(樂清市第二中學(xué),浙江 樂清 325600)

隨著技術(shù)的高速發(fā)展，各種傳感器被不斷地微型化，使得手機(jī)能夠集成各種高精度、高靈敏度的傳感器，如：光強(qiáng)度傳感器、加速度傳感器、距離傳感器、重力傳感器、陀螺儀、溫度傳感器、壓力傳感器、聲音傳感器等. 手機(jī)已經(jīng)不再是簡(jiǎn)單的通信工具，而是集各種功能于一身的便攜式電子設(shè)備,智能手機(jī)作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的“新型”儀器應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，并且通過“希沃”同屏軟件把手機(jī)屏幕上的內(nèi)容投影至大屏幕上，可激發(fā)了學(xué)生的科學(xué)探究興趣，落實(shí)了物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，體現(xiàn)了“從生活走向物理”的新課程理念. 本文以物理學(xué)中3個(gè)與聲波有關(guān)的演示實(shí)驗(yàn)為例，對(duì)智能手機(jī)在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了有益的探索.

1 用智能手機(jī)定量演示多普勒效應(yīng)

1.1 教材中演示實(shí)驗(yàn)存在的不足

教材中多普勒效應(yīng)的演示實(shí)驗(yàn)[1]通過學(xué)生在區(qū)分蜂鳴器靠近(或遠(yuǎn)離)時(shí)聲音的音調(diào)的變化，用耳朵作為測(cè)量的工具，主觀性太強(qiáng)，學(xué)生很容易把聲音的高低(響度)和音調(diào)的高低相混淆.

1.2 對(duì)原演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

1.2.1 實(shí)驗(yàn)原理

讓2部手機(jī)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，利用智能手機(jī)的內(nèi)置聲音傳感器測(cè)量接收到的聲波頻率，與相對(duì)靜止時(shí)測(cè)得的聲波頻率進(jìn)行比較，從而定量地演示聲波的多普勒效應(yīng).

1.2.2 實(shí)驗(yàn)器材

智能手機(jī)2部，鐵架臺(tái)1套，塑料手機(jī)外套1個(gè)，細(xì)線4根.

1.2.3 實(shí)驗(yàn)操作(聲源運(yùn)動(dòng)、觀察者不動(dòng))

1)取2部智能手機(jī)，一部手機(jī)A做為“聲源”，另一部手機(jī)B作為“觀察者”，2部手機(jī)均下載安裝“Phyphox”的APP軟件，該軟件中有播放特定頻率的聲波的功能(音頻發(fā)生器)與測(cè)量某一聲波的頻率的功能(音頻自相關(guān)). 如圖1所示，讓靜止的“聲源手機(jī)”A發(fā)出4 000 Hz的聲波，讓靜止的“觀察手機(jī)”B進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果為3 999.17 Hz.

2)在塑料手機(jī)外套的4個(gè)角上打孔，并系上4根細(xì)線，制成“四線擺”，然后把“聲源手機(jī)”A放入外套內(nèi)，打開“音頻發(fā)生器”播放開關(guān)，發(fā)出4 000 Hz的聲波，讓“聲源手機(jī)”A做大擺角的擺動(dòng)(擺角在40°～45°)[2].

(a)

3)先主觀感受聲波的頻率變化，再在“四線擺”最低點(diǎn)放置“觀察手機(jī)”B，如圖2(a)所示，當(dāng)“聲源手機(jī)”A遠(yuǎn)離“觀察手機(jī)”B時(shí)，測(cè)得的頻率為3 990.75 Hz，比4 000 Hz低了約10 Hz，如圖2(b)所示[3]；當(dāng)“聲源手機(jī)”A靠近“觀察手機(jī)”B時(shí)，測(cè)得的頻率4 011.86 Hz，比4 000 Hz高了約11 Hz,如圖2(c)所示. 實(shí)驗(yàn)中“觀察手機(jī)”B始終通過“希沃”同屏軟件把手機(jī)上測(cè)量的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地投影至大屏幕上，觀察測(cè)量頻率不斷變化，并可隨時(shí)按下暫停鍵，顯示某一次頻率的測(cè)量結(jié)果.

(a)

2 用智能手機(jī)演示玻璃酒杯的共振現(xiàn)象

當(dāng)外界聲音的頻率和酒杯的固有頻率相等時(shí)，會(huì)使酒杯產(chǎn)生共振，即酒杯的側(cè)壁發(fā)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，放在杯中的吸管產(chǎn)生強(qiáng)烈的跳動(dòng)，該實(shí)驗(yàn)?zāi)苊黠@地演示共振現(xiàn)象.

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

利用智能手機(jī)中的“Phyphox”軟件的“音頻自相關(guān)”功能測(cè)出紅酒杯發(fā)聲的固有頻率，然后利用“Phyphox”軟件中的“音頻發(fā)生器”功能發(fā)出與紅酒杯固有頻率相同的聲波，并通過2個(gè)藍(lán)牙小音箱放大聲音，最終使紅酒杯發(fā)生劇烈的共振.

2.2 實(shí)驗(yàn)器材

智能手機(jī)1部，高腳紅酒杯1只(杯壁較薄，杯肚子大一些)，吸管1根，藍(lán)牙小音箱(2只，功率為3 W)，鼠標(biāo)墊1塊.

2.3 實(shí)驗(yàn)操作

1)打開手機(jī)中的“Phyphox”軟件，運(yùn)行“音頻自相關(guān)”，然后用鉛筆敲擊紅酒杯口處，按開始按鈕，測(cè)出紅酒杯發(fā)出的聲音的固有頻率(約465.42 Hz)，如圖3所示.

圖3 測(cè)量酒杯的固有頻率

2)把酒杯放在桌子的鼠標(biāo)墊上，在杯內(nèi)放入1根吸管，再把手機(jī)跟2只藍(lán)牙音箱連接.

3)打開手機(jī)上的“Phyphox”軟件，運(yùn)行“音頻發(fā)生器”，頻率設(shè)為465.5 Hz，如圖4所示. 點(diǎn)擊播放按鈕，2只小音箱播放聲音，用手把2只音箱靠近酒杯杯口，如圖5所示，發(fā)現(xiàn)杯中的小吸管在強(qiáng)烈的跳動(dòng)，即酒杯發(fā)生了共振.

圖4 發(fā)出與固有頻率相近的聲波

圖5 共振演示裝置

3 用智能手機(jī)演示彈簧縱波的駐波現(xiàn)象

駐波是波的特殊疊加現(xiàn)象，由振幅相同、頻率相同、傳播方向相反的2列簡(jiǎn)諧相干波疊加形成. 由于橫波的駐波現(xiàn)象比較容易產(chǎn)生，演示的儀器也較多. 而縱波的駐波現(xiàn)象較難產(chǎn)生，演示縱波的駐波儀器也就比較稀少. 現(xiàn)在利用智能手機(jī)、電腦小音箱、輕彈簧就可以很方便地制作縱駐波演示儀，制作簡(jiǎn)單，操作方便，現(xiàn)象明顯.

3.1 制作器材

智能手機(jī)1部，電腦小音箱1對(duì)，螺旋彈簧1根，鐵架臺(tái)1套，空礦泉水瓶1只(帶有瓶蓋)，百得膠1支.

3.2 制作過程

3.2.1 振源制作

把小音箱的面板蓋打開，露出揚(yáng)聲器的紙盤，把礦泉水瓶的瓶口剪下，用百得膠粘在揚(yáng)聲器的紙盤上，如圖6所示. 在手機(jī)上安裝音頻發(fā)生器APP. 該軟件可發(fā)出頻率可調(diào)的正弦聲波，然后通過音頻線接到小音箱上，使揚(yáng)聲器發(fā)聲振動(dòng)，紙盤振動(dòng)，帶動(dòng)礦泉水瓶口振動(dòng).

圖6 縱駐波發(fā)生演示裝置

3.2.2 彈簧選取

取廢舊的演示用的測(cè)力計(jì)，將螺旋彈簧取下作為波的傳播介質(zhì). 在礦泉水瓶蓋子上鉆小孔，把彈簧的一端與蓋子通過螺母與螺栓牢固連接，如圖6所示.

3.2.3 儀器安裝

把連接有彈簧的蓋子旋緊在礦泉水瓶的瓶口上，然后把彈簧的另一端通過螺母與螺栓固定在鐵架臺(tái)的橫梁上，使彈簧伸長(zhǎng)至25 cm左右，并調(diào)整至豎直狀態(tài)，如圖6所示.

3.3 實(shí)驗(yàn)操作

1)打開手機(jī)音頻發(fā)生器APP，選擇正弦波，然后轉(zhuǎn)動(dòng)頻率旋鈕，調(diào)至30 Hz左右，如圖7所示，此時(shí)可以看到螺旋彈簧在揚(yáng)聲器的紙盤帶動(dòng)下而上下振動(dòng)，同時(shí)，當(dāng)彈簧波碰到鐵架臺(tái)橫梁時(shí)發(fā)生反射現(xiàn)象，反射波與入射波傳播方向相反，振幅和頻率都相同. 因此，入射波和反射波的疊加形成駐波.

2)調(diào)節(jié)頻率旋鈕，使聲波頻率增大(或減小)，觀察彈簧的振動(dòng)，當(dāng)彈簧振動(dòng)最劇烈時(shí)，再緩慢調(diào)整聲波頻率，當(dāng)彈簧波上出現(xiàn)振動(dòng)劇烈的波腹和幾乎不振動(dòng)的波節(jié)，即產(chǎn)生了駐波現(xiàn)象[4]. 如圖8所示，且2個(gè)相鄰的波節(jié)之間距離均相等，彈簧總長(zhǎng)正好等于相鄰波節(jié)間距(半波長(zhǎng))的整數(shù)倍. 此時(shí)手機(jī)上顯示頻率為21.1 Hz，彈簧波上共有2個(gè)半波長(zhǎng).

圖7 音頻發(fā)生器操作頁(yè)面

圖8 頻率不同的彈簧駐波

3)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)頻率旋鈕，使聲波頻率增大，當(dāng)彈簧再次出現(xiàn)劇烈振動(dòng)時(shí)，緩慢調(diào)整聲波頻率，此時(shí)彈簧波又出駐波現(xiàn)象，如圖8所示，此時(shí)手機(jī)上顯示頻率為31.2 Hz，彈簧波上共有3個(gè)半波長(zhǎng).

4)當(dāng)聲波的頻率調(diào)至42.3 Hz時(shí)，彈簧波上共有4個(gè)半波長(zhǎng)；頻率調(diào)至52.8 Hz時(shí)，彈簧波上共有5個(gè)半波長(zhǎng)；頻調(diào)率至63.2 Hz，彈簧波上共有6個(gè)半波長(zhǎng)；調(diào)至73.8 Hz，彈簧波上共有7個(gè)半波長(zhǎng)；調(diào)至84.5 Hz，彈簧波上共有8個(gè)半波長(zhǎng).

4 結(jié)束語(yǔ)

智能手機(jī)作為現(xiàn)代通信工具已經(jīng)與生活密不可分，教師若能結(jié)合高中物理教學(xué)實(shí)際，借助Phyphox軟件將智能手機(jī)應(yīng)用到物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中去，既能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又能引導(dǎo)學(xué)生合理使用手機(jī)，可謂一舉兩得.