基于地方課程資源的物理跨學(xué)科實踐設(shè)計
——銅犴發(fā)聲原理探究與拓展

王貴林

(云南省昆明市第一中學(xué)西山學(xué)校,云南 昆明 650100)

1 項目背景

云南省昆明市盤龍江銅犴最初鑄造于清嘉慶年間.咸豐七年,即1857年被毀,同治三年,即1864年昆明的士紳又重新鑄造銅犴,距今已有150余年歷史.銅犴最初放置在一座古寺中,俗稱“金牛寺”,銅犴鑄成之初,其腹下有深井直通盤龍江,由于銅犴的特殊構(gòu)造,發(fā)大水時它便會發(fā)出嗡鳴聲,就如同向人們發(fā)出水患警報,于是有了“金牛吼三聲,水淹大東門”的古話.近代以來,幾經(jīng)戰(zhàn)亂遷移,銅犴如今安置在盤龍江邊的金牛街上.

如圖1所示,銅犴俗稱金?；蜚~牛,質(zhì)地為銅,俯臥于地,它身長約2.3 m,高約1.5 m.清道光年間戴筠帆編撰的《昆明縣志》中形容:銅犴昂頭向江水,起足做欲斗狀.

圖1

為了鎮(zhèn)住盤龍江水患,清代嘉慶年間,人們在盤龍江邊鑄造了其形似牛而實非牛,頂具獨角的銅犴,用以鎮(zhèn)壓水患和預(yù)警水患.銅犴底座的下方有一口水井,井壁通盤龍江,盤龍江漲水的時候,銅身發(fā)出嗡鳴,向老百姓報警.“銅犴叫三聲,水淹大東門”是在民間流傳了千百年的災(zāi)情警示語!

2 項目開發(fā)——銅犴發(fā)聲原理探究

2.1 現(xiàn)場體驗 提出問題

電視系列片《愛昆明》,是近年來昆明教育電視臺主要打造的精品創(chuàng)作節(jié)目.昆明歷史文化系統(tǒng)工程之一——昆明城市歷史視頻系列教材,昆明市中小學(xué)生首部德育視頻教材,它面向未成年人思想道德建設(shè),重點培養(yǎng)未成年人愛國主義;是昆明市中小學(xué)生深入了解昆明這座城市、喚醒城市記憶、傳承城市血脈的一扇窗口.力爭通過一定的積累,打造出一部較為全面的宣傳家鄉(xiāng)、熱愛家鄉(xiāng)的優(yōu)質(zhì)視頻教材.

犴是主管橋梁大水江湖的神獸,因為它是由銅鑄造的,所以叫銅犴,又叫金?；蛘咩~牛.

科普實驗小組,與昆明教育電視臺和云南省社科院相關(guān)專家取得了聯(lián)系,由昆明教育電視臺組織,前往盤龍江參觀考察,主持人引導(dǎo)科普小組學(xué)生,對銅犴進(jìn)行觀察,看看它有什么特別的地方.

學(xué)生觀察到金牛背部有個小孔,而且金牛肚子很大,中間是空的.主持人引導(dǎo)學(xué)生思考,這些特別的地方跟盤龍江水上漲時它會發(fā)出聲音是有關(guān)系的,為什么江水上漲時它會發(fā)出聲音呢?

2.2 猜想與假設(shè)

科普實驗小組最開始假想,井內(nèi)空氣通過孔快速往外流動產(chǎn)生了聲音,但就算空氣往外快速流出產(chǎn)生了聲音,這聲音是連續(xù)的,不會出現(xiàn)間斷的“三聲”呀,實踐證明被否定了.另外假想笛子的吹空,是外面空氣流動產(chǎn)生聲音,那為什么會出現(xiàn)“三聲”呢?銅犴外部空氣流動時,通過銅犴背部的小孔,引起銅犴內(nèi)部空氣柱振動而發(fā)聲.當(dāng)漲水時,銅犴內(nèi)空氣柱變短,傳入的聲波與反射回來的聲波疊加,形成駐波,聲音加強(qiáng),銅犴腹部是空的,起到共鳴作用,將聲音放大.

2.3 設(shè)計實驗與制訂方案

實驗器材如圖2～4所示,大試管1個(牛頓管改裝,長度大約100 cm),容積為2.5 L透明盛液筒1個,軟皮管1根,帶色水10 L,鐵架臺,音叉1個.如圖5所示,用軟管將透明盛液筒與大試管組裝成連通器,大試管固定在鐵架臺上,然后向礦泉水瓶內(nèi)注入適量帶色的水,改變透明盛液筒的高度,可以改變大試管內(nèi)水位的高低,音叉置于大試管口的上方.

圖2

圖3

圖4

圖5

2.4 獲取與處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論

分工協(xié)作:學(xué)生1改變水位高低;學(xué)生2敲擊音叉;學(xué)生3記錄出現(xiàn)共鳴時水位到達(dá)的位置.

用牛頓管與軟管形成連通器,改變水位,從而改變了水面上內(nèi)部空氣柱的長度,然后通過敲擊音叉發(fā)聲,做聲源.當(dāng)水位到一定高度時,音叉振動激起空氣振動產(chǎn)生的聲波與水面反射回來的聲波發(fā)生了疊加,水位上漲滿足駐波條件,聲音響度增大,又因為水的上方是空的,產(chǎn)生了共鳴,聲音被放大,水位的變化會引起多次共鳴.

2.5 物理原理

通過科普小組實驗的探究,學(xué)生明白了銅犴發(fā)聲原理.物理原理銅犴背上的孔有如笛子吹孔,孔上方空氣流動時,振動發(fā)出聲音,聲波由銅犴的空腹向下面的深井傳播.這聲音日常不易覺察.盤龍江發(fā)大水時,井水上升,改變了內(nèi)部空氣柱的長度,當(dāng)水漲到一定高度時,小孔上方空氣振動產(chǎn)生的聲波與水面反射回來的聲波發(fā)生了疊加,聲音響度變大,而由于銅犴腹中空,形成了共鳴箱,嗡鳴聲就被放大了,所以漲水時銅犴發(fā)聲,聲音就更大了.

以井口向下建立坐標(biāo)(如圖6所示),設(shè)在坐標(biāo)原點入射波和反射波的初相位相同,都為0.以下理論分析中波沿x軸傳播,遇到水面后反射回井口.兩列波的振幅相同、頻率相等、初相位為0,傳播方向相反.A表示振幅,ω表示角頻率,λ為波長.

圖6

兩列波的運動方程分別為

兩列波疊加后得到

當(dāng)井口到水面的距離x滿足半個波長的整數(shù)倍時(聲音波長約是米的量級),出現(xiàn)波腹疊加后的振幅取最大值.聲音的強(qiáng)度就是聲波的能流密度,可表述為(ρ為空氣密度,u為波數(shù))

從上式可看出,合振幅越大,聲音越強(qiáng).當(dāng)河水上漲時,井與河水聯(lián)通,井里水面上升,x減小.當(dāng)x滿足半個波長的整數(shù)倍時,銅犴發(fā)出吼聲,警示語里邊“三聲”,表示多次發(fā)聲的意思.

2.6 交流與評估

科普實驗小組,實驗探究后,做了討論交流,談了各自的收獲及以后通過探究實驗去解決問題.通過本次探究活動,培養(yǎng)了動腦思考,動手操作的能力,實驗科普小組的實驗成果通過昆明教育電視臺進(jìn)行了展示,培養(yǎng)了學(xué)生的自信心,同時對科學(xué)本質(zhì)有了新的認(rèn)識,對科學(xué)的態(tài)度與社會的責(zé)任得到了加強(qiáng).通過科普實驗小組的探究,還原了銅犴發(fā)聲的原理,解決了困惑多年的問題,在教學(xué)工作中實現(xiàn)了跨學(xué)科實踐,提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,體現(xiàn)物理的課程理念“從生活走向物理,從物理走向社會”.

實驗是根,正如我國物理教育界的前輩朱正元教授所說:“壇壇罐罐當(dāng)儀器,拼拼湊湊做實驗.”本實驗取材方便,經(jīng)濟(jì)成本低,成本200元左右,容易普及、推廣.可以在教研組、工作坊內(nèi)推廣自制教具,培養(yǎng)學(xué)生小創(chuàng)造、小發(fā)明,提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的熱情.通過科普實驗小組的探究,讓抽象的問題變得直觀化.

3 項目拓展——現(xiàn)代水位報警器制作

弄清楚古代水位報警是我們的責(zé)任.現(xiàn)在的水位報警,是通過機(jī)械式或磁感應(yīng)的方法來進(jìn)行水位的報警,可以是聲光報警或者磁性報警同時控制水泵等設(shè)備的啟動或停止.一般水位報警儀由水位探測器、雨量傳感器、報警燈、擴(kuò)音器、太陽能板和采集傳輸控制器組成.這樣可以通過耳朵聽,眼睛看,數(shù)據(jù)顯示等全方位地知道報警.

那么現(xiàn)代水位報警器如何制作呢?在物理教師的引導(dǎo)下,科普實驗小組查閱資料,進(jìn)行思考,制作現(xiàn)代水位器.

實驗器材:主要有電池盒、電池、磁控開關(guān)、磁鐵、蜂鳴器、泡沫和導(dǎo)線、透明杯子等.

實驗步驟:(1) 將磁控開關(guān)的一端連到電池盒的紅色導(dǎo)線,另一端與一根單獨的紅色導(dǎo)線連接,然后,把蜂鳴器的負(fù)極(短腳)連到電池盒的黑色導(dǎo)線,正極(長腳)與磁控開關(guān)的紅色導(dǎo)線相連,形成了一個完整的電路(如圖7所示),裝上電池.(2) 將一根長木條用熱熔膠固定在瓶子外部,把電池和蜂鳴器用熱熔膠固定在方木條上,再用熱熔膠磁控開關(guān)固定在透明杯外側(cè).(3) 把磁鐵固定在泡沫上,用兩根帶膠皮的硬銅導(dǎo)線穿過泡沫,放進(jìn)杯子里,使泡沫能夠隨著水面上升或下降.這樣,一個水位報警器就制作完成了(如圖8所示).

圖7

圖8

往杯子里慢慢地倒水,水慢慢往上漲,泡沫和磁鐵也隨著往上浮,到固定磁控開關(guān)的位置,蜂鳴器所在電路就形成了一個閉合回路,蜂鳴器開始工作,發(fā)出警報.