DIS系統(tǒng)在初中物理聲學(xué)中的應(yīng)用

李豐利 王成武

摘要： 安裝有Phyphox軟件的智能手機(jī)本質(zhì)上就是一個(gè)DIS系統(tǒng)，把多種傳感器、數(shù)據(jù)采集器和應(yīng)用軟件集成一體。通過(guò)智能手機(jī)的測(cè)量發(fā)現(xiàn)，聲音的音調(diào)是由聲源性質(zhì)決定的，與外力無(wú)關(guān)，外力決定了聲源振動(dòng)的幅度。傳統(tǒng)聲學(xué)實(shí)驗(yàn)更多依靠眼耳的觀察、感覺，并不可靠。相互比較，基于傳感器技術(shù)的數(shù)字化技術(shù)在聲學(xué)實(shí)驗(yàn)有很大應(yīng)用價(jià)值，數(shù)字化技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的融合是未來(lái)課堂物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞： Phyphox APP ?智能手機(jī) ?DIS系統(tǒng) ?比較 ?融合

Phyphox（physical phone experiments）是由德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)第二物理研究所開發(fā)的一款免費(fèi)支持Android及ios系統(tǒng)的基于智能手機(jī)內(nèi)置傳感器的物理實(shí)驗(yàn)軟件，可通過(guò)移動(dòng)端控制并以多種常用格式導(dǎo)出數(shù)據(jù)或計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制。Phyphox利用手機(jī)自帶的傳感器采集數(shù)據(jù)，并借助手機(jī)的運(yùn)算功能處理數(shù)據(jù)，最后以圖像、表格等形式顯示數(shù)據(jù)。所以，安裝有Phyphox軟件的手機(jī)實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)DIS系統(tǒng)。本文基于智能手機(jī)軟件Phyphox的聲學(xué)部分進(jìn)行初中物理“聲音的特性”實(shí)驗(yàn)的相關(guān) 研究 。

一、傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)存在的問(wèn)題

傳統(tǒng)聲學(xué)實(shí)驗(yàn)主要是通過(guò)眼、耳等去看和聽，例如：初中物理教材中的實(shí)驗(yàn)，將一把鋼制刻度尺的一端伸出桌面一定的距離，將另一端緊緊按壓在桌面上，撥動(dòng)鋼尺的一端，使它振動(dòng)發(fā)聲，觀察鋼尺振動(dòng)的快慢情況，聆聽聲音的高低；然后改變鋼尺伸出桌面的長(zhǎng)度，用同樣大小的力去撥動(dòng)鋼尺一端，再次觀察鋼尺振動(dòng)的快慢情況，同時(shí)聆聽聲音的高低變化；多次改變鋼尺伸出桌面的長(zhǎng)度，重復(fù)上述操作。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，鋼尺振動(dòng)速度都是比較快的，人眼是很難看清楚的。另外，學(xué)生在聲學(xué)的學(xué)習(xí)中，經(jīng)常遇到水瓶琴的問(wèn)題，物體的振動(dòng)人眼根本看不見。因此，傳統(tǒng)物理聲學(xué)實(shí)驗(yàn)中，更多是依靠感覺，非常不可靠。

針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的問(wèn)題，我們可以借助傳感器技術(shù)，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、形象地顯示各種聲音。下面筆者基于智能手機(jī)應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)測(cè)量音調(diào)和響度，以說(shuō)明該技術(shù)在物理聲學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用價(jià)值。

二、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)

（一）實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)一：敲擊音叉

1.實(shí)驗(yàn)裝置

音叉：標(biāo)稱值為256赫茲、512赫茲各一支。

2.實(shí)驗(yàn)步驟

（1）點(diǎn)擊軟件中的“聲音頻譜”，點(diǎn)擊開始標(biāo)志。用小一點(diǎn)的力敲擊標(biāo)稱值為256赫茲的音叉，點(diǎn)擊結(jié)束標(biāo)志，記錄峰值頻率和振幅（相對(duì)值）。

（2）再點(diǎn)擊開始標(biāo)志，用大一點(diǎn)的力敲擊標(biāo)稱值為256赫茲的音叉，點(diǎn)擊結(jié)束標(biāo)志，記錄峰值頻率和振幅（相對(duì)值）。

（3）再點(diǎn)擊開始標(biāo)志，用小一點(diǎn)的力敲擊標(biāo)稱值為512赫茲的音叉，點(diǎn)擊結(jié)束標(biāo)志，記錄峰值頻率和振幅（相對(duì)值）。

（4）再點(diǎn)擊開始標(biāo)志，用大一點(diǎn)的力敲擊標(biāo)稱值為512赫茲的音叉，點(diǎn)擊結(jié)束標(biāo)志，記錄峰值頻率和振幅（相對(duì)值）。

3.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)二：寬鋼尺的振動(dòng)

1.實(shí)驗(yàn)裝置

較寬鋼尺

2.實(shí)驗(yàn)步驟

（1）點(diǎn)擊軟件中的“聲音頻譜”，點(diǎn)擊開始標(biāo)志。將寬鋼尺緊壓在桌面上，尺的一端伸出桌面5厘米，用小一點(diǎn)的力撥動(dòng)，發(fā)出聲音，點(diǎn)擊結(jié)束標(biāo)志，記錄峰值頻率和振幅（相對(duì)值）。

（2）將寬鋼尺緊壓在桌面上，尺的一端伸出桌面5厘米，用大一點(diǎn)的力撥動(dòng)，發(fā)出聲音，點(diǎn)擊結(jié)束標(biāo)志，記錄峰值頻率和振幅（相對(duì)值）。

（3）將寬鋼尺緊壓在桌面上，尺的一端伸出桌面10厘米，用小一點(diǎn)的力撥動(dòng)，發(fā)出聲音，點(diǎn)擊結(jié)束標(biāo)志，記錄峰值頻率和振幅（相對(duì)值）。

（4）將寬鋼尺緊壓在桌面上，尺的一端伸出桌面10厘米，用大一點(diǎn)的力撥動(dòng)，發(fā)出聲音，點(diǎn)擊結(jié)束標(biāo)志，記錄峰值頻率和振幅（相對(duì)值）。

（5）將寬鋼尺緊壓在桌面上，尺的一端伸出桌面15厘米，用小一點(diǎn)的力撥動(dòng)，發(fā)出聲音，點(diǎn)擊結(jié)束標(biāo)志，記錄峰值頻率和振幅（相對(duì)值）。

（6）將寬鋼尺緊壓在桌面上，尺的一端伸出桌面15厘米，用大一點(diǎn)的力撥動(dòng)，發(fā)出聲音，點(diǎn)擊結(jié)束標(biāo)志，記錄峰值頻率和振幅（相對(duì)值）。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)三：窄鋼尺的振動(dòng)

1.實(shí)驗(yàn)裝置

較窄鋼尺

2.實(shí)驗(yàn)步驟

如實(shí)驗(yàn)二。

3.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)四：玻璃瓶的振動(dòng)（敲擊方式）

1.實(shí)驗(yàn)裝置

三個(gè)同樣的分別裝有5厘米、10厘米、15厘米深的水的玻璃瓶橡膠錘

2.實(shí)驗(yàn)步驟

（1）點(diǎn)擊軟件中的“聲音頻譜”，點(diǎn)擊開始標(biāo)志。用橡膠錘對(duì)著盛有深5厘米水的玻璃瓶，用小一點(diǎn)的力敲擊，發(fā)出聲音，點(diǎn)擊結(jié)束標(biāo)志，記錄峰值頻率和振幅（相對(duì)值）。

（2）點(diǎn)擊開始標(biāo)志，用橡膠錘對(duì)著盛有深5厘米水的玻璃瓶，用大一點(diǎn)的力敲擊，發(fā)出聲音，點(diǎn)擊結(jié)束標(biāo)志，記錄峰值頻率和振幅（相對(duì)值）。

（3）點(diǎn)擊開始標(biāo)志，用橡膠錘對(duì)著盛有深10厘米水的玻璃瓶，用小一點(diǎn)的力敲擊，發(fā)出聲音，點(diǎn)擊結(jié)束標(biāo)志，記錄峰值頻率和振幅（相對(duì)值）。

（4）點(diǎn)擊開始標(biāo)志，用橡膠錘對(duì)著盛有深10厘米水的玻璃瓶，用大一點(diǎn)的力敲擊，發(fā)出聲音，點(diǎn)擊結(jié)束標(biāo)志，記錄峰值頻率和振幅（相對(duì)值）。

（5）點(diǎn)擊開始標(biāo)志，用橡膠錘對(duì)著盛有深15厘米水的玻璃瓶，用小一點(diǎn)的力敲擊，發(fā)出聲音，點(diǎn)擊結(jié)束標(biāo)志，記錄峰值頻率和振幅（相對(duì)值）。

（6）點(diǎn)擊開始標(biāo)志，用橡膠錘對(duì)著盛有深15厘米水的玻璃瓶，用小一點(diǎn)的力敲擊，發(fā)出聲音，點(diǎn)擊結(jié)束標(biāo)志，記錄峰值頻率和振幅（相對(duì)值）。

（7）實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)五：空氣柱的振動(dòng)（吹氣方式）

1.實(shí)驗(yàn)裝置

三個(gè)同樣的分別裝有5厘米、10厘米、15厘米深的水的玻璃瓶。

2.實(shí)驗(yàn)步驟

（1）點(diǎn)擊軟件中的“聲音頻譜”，點(diǎn)擊開始標(biāo)志。用嘴對(duì)著盛有深5厘米水的瓶口，用小一點(diǎn)的力吹氣，發(fā)出聲音，點(diǎn)擊結(jié)束標(biāo)志，記錄峰值頻率和振幅（相對(duì)值）。

（2）點(diǎn)擊開始標(biāo)志，用嘴對(duì)著盛有深5厘米水的瓶口，用大一點(diǎn)的力吹氣，發(fā)出聲音，點(diǎn)擊結(jié)束標(biāo)志，記錄峰值頻率和振幅（相對(duì)值）。

（3）點(diǎn)擊開始標(biāo)志。用嘴對(duì)著盛有深10厘米水的瓶口，用小一點(diǎn)的力吹氣，發(fā)出聲音，點(diǎn)擊結(jié)束標(biāo)志，記錄峰值頻率和振幅（相對(duì)值）。

（4）點(diǎn)擊開始標(biāo)志。用嘴對(duì)著盛有深10厘米水的瓶口，用大一點(diǎn)的力吹氣，發(fā)出聲音，點(diǎn)擊結(jié)束標(biāo)志，記錄峰值頻率和振幅（相對(duì)值）。

（5）點(diǎn)擊開始標(biāo)志。用嘴對(duì)著盛有深15厘米水的瓶口，用小一點(diǎn)的力吹氣，發(fā)出聲音，點(diǎn)擊結(jié)束標(biāo)志，記錄峰值頻率和振幅（相對(duì)值）。

（6）點(diǎn)擊開始標(biāo)志。用嘴對(duì)著盛有深15厘米水的瓶口，用大一點(diǎn)的力吹氣，發(fā)出聲音，點(diǎn)擊結(jié)束標(biāo)志，記錄峰值頻率和振幅（相對(duì)值）。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（二）實(shí)驗(yàn)說(shuō)明

1.本實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)，采集自“聲音頻譜”中的“原始數(shù)據(jù)”和“加速度頻譜”，數(shù)據(jù)采集周期為0.04秒，樣本數(shù)2048個(gè)。

2.發(fā)生力量分為“小的力”和“大的力”，由于力的大小無(wú)法測(cè)量，只能采用這種主觀的表達(dá)方式；但可以肯定的是“大的力”比“小的力”明顯要大。這個(gè)力是瞬時(shí)的，不是連續(xù)的、周期性的，這個(gè)力也不可以超過(guò)物體彈性形變所能承受的最大值。

3.本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中的“頻率”精確到個(gè)位，“相對(duì)振幅”的大小依據(jù)軟件中波形的波動(dòng)幅度顯示。

4.在實(shí)驗(yàn)二中鋼尺伸出桌面5厘米時(shí)，由于伸出桌面長(zhǎng)度太短，彈撥時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)鋼尺與桌面發(fā)生碰撞情況，從而產(chǎn)生較大誤差。

（三）實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)一，可以得出Phyphox軟件測(cè)量是比較準(zhǔn)確的，確保了后續(xù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。音叉的頻率與敲擊的力量無(wú)關(guān)。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)二、三，可以得出鋼尺振動(dòng)頻率與彈撥的力量無(wú)關(guān)，與伸出桌面的長(zhǎng)度有關(guān)，伸出的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，振動(dòng)頻率越低；振動(dòng)頻率還與鋼尺的寬度有 關(guān)系 。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)三，可以得出玻璃瓶振動(dòng)頻率與敲擊力量無(wú)關(guān)，與水柱的高度有關(guān)，水柱越高，振動(dòng)頻率越低。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)四，可以得出玻璃瓶振動(dòng)頻率與吹氣力量無(wú)關(guān)，與空氣柱的長(zhǎng)度有關(guān)，空氣柱越長(zhǎng)，振動(dòng)頻率越低。

結(jié)合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，聲音的大小（振幅）是由外力決定的，力量越大，聲源振動(dòng)幅度越大，發(fā)出的聲音越響；聲音的頻率是由聲源自身的特征決定的，如長(zhǎng)度、質(zhì)量等，與外力大小無(wú)關(guān)?？梢钥闯觯卣鲗傩栽酱?，如長(zhǎng)度越長(zhǎng)，質(zhì)量越大等，頻率就越小。

同樣從軟件中顯示的波形圖像可以明顯看出，音色與材料、發(fā)聲方式、發(fā)聲位置、發(fā)聲力量等有關(guān)。

三、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的比較

傳統(tǒng)聲學(xué)實(shí)驗(yàn)中往往以眼耳去看去聽的方式探究聲音的音調(diào)、響度、音色三大特性。從培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的角度來(lái)看，明顯是不夠的。有些教師利用示波器來(lái)探究影響聲音的因素。然而示波器自身體積龐大、質(zhì)量較重，圖像的解讀初中學(xué)生不容易理解。倘若采用智能手機(jī)中的DIS系統(tǒng)來(lái)探究聲音的特性，只需要攜帶一部裝有“Phyphox”App的智能手機(jī)。同時(shí)，相對(duì)于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)極大地提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性和結(jié)論的可靠性。相對(duì)于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的其他平臺(tái)，智能手機(jī)除了具有靈敏度高、操作簡(jiǎn)單等共性外，智能手機(jī)自帶多種傳感器，體積小便攜帶、功能多樣等特有的特點(diǎn)。

基于傳感器技術(shù)的數(shù)字化技術(shù)很大地拓寬了初中物理實(shí)驗(yàn)路徑，不但可以半定量、定量地研究問(wèn)題，還可以適當(dāng)拓展，如：可以借助智能手機(jī)測(cè)量鋼尺的振動(dòng)頻率與其伸出桌面長(zhǎng)度的關(guān)系、玻璃瓶的振動(dòng)頻率與水深的關(guān)系、空氣柱的振動(dòng)頻率與空氣柱長(zhǎng)度的關(guān)系等。將DIS系統(tǒng)作為一種新的實(shí)驗(yàn)工具用于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，具有可行性，同時(shí)能有效地吸引學(xué)生注意力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升課堂教學(xué)效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]洪葉，高雷.基于智能手機(jī)軟件Ｐｈｙｐｈｏｘ在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的研究———以“聲音的特性”為例[J].物理教師，2022，43（1）：70[CD*2]72，76.

[2]黃永杭.關(guān)于鋼尺振動(dòng)頻率的研究[J].物理通報(bào)，2020，5：93[CD*2]95.

責(zé)任編輯：黃大燦