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有趣的声学小制作

来源:方正三中  作者:郑晓东  时间:2017-10-06  浏览:次  星级:  下载权限:点券[点击下载]

有趣的声学小制作

方正三中  郑晓东

  一.做个纸盒六弦琴

  找一个结实的小纸盒子,再找六根皮筋,把皮筋一根根地套在小纸盒上,让它们相互间保持相等的距离。裁一张硬纸,折成一根长的三棱柱,放在六根皮筋下边,把皮筋支起来。再做六个小三棱柱当“码子”,依次卡到六根弦下,使六根弦长短不一。用手指弹一弹,你会听到六根弦发出不同的音调。适当移动“码子”,可以弹出几个标准音,把“码子”粘牢,就能弹出优美的乐曲了。如果盒子过大,也可以把橡皮筋剪断,用图钉或穿孔打结的办法固定到纸盒的两侧。

  仔细观察一下你的六弦琴,你会看出,这六根弦振动部分的长短不同,而且紧张程度也很不同。音调高的,皮筋的振动部分又紧又短;音调低的,皮筋就比较长而且松。可见,皮筋振动的频率和它的长度、松紧程度有关系。

  琴弦长度和音调的关系早就引起了人们的注意。我国战国时代就有“大弦小声,小弦大声”的记载。古希腊的数学家毕达哥拉斯,专门对琴弦做了研究。他发现,琴弦的长度符合数学规律时,琴就能发出和谐美好的声音。

  毕达哥拉斯用的是三弦琴,他计算出,当三根弦的长度适合比例式时,琴声最和谐。

  二.你还可以做一个“土二胡”

  找一个纸盒(木盒、铁盒也可以),一支铅笔头,一段小线,一点松香和一把尺子。在盒的一侧开一个小孔,让小线穿进去,在盒里拴上铅笔头,用松香擦擦小线,让它跟胡琴的弦那样变涩。把盒子放好或请一位同学拿住它,你用一只手拉紧小线,另一只手拿着尺子在小线上摩擦。听!你的胡琴发出了声响。改变小线的长度和松紧状况,土胡琴的音调也就随着发生了变化——可惜,它的声音并不优美。

  你能根据这把“纸盒胡琴”,说明用二胡演奏各种乐曲的原理吗?

  三.自制小编钟

  找8只玻璃杯,分别盛上不同量的水,由少到多地依次排列,用筷子敲打,使杯子依次发出1(多)2(来)3(咪)4(发)5(索)6(拉)7(西)(多)的音调。然后用这套杯子奏出歌曲。

  尽管8只玻璃杯相同,但杯内盛水量不同,杯内空腔的几何形状不同。这样敲击时,振动频率不同。声音的音调高低由振动频率决定。频率低,发音浑厚而低沉,频率高,发音就清脆而高元。

  在我国古代的乐器中,有—种特磬〔qīng〕,是用石或玉雕成,用架子支起来,敲击发声。这是一种打击乐器。商代已经出现了三个一组的编磬——三个磬分别发出三种音调,组合起来敲打能演奏乐曲。

  1978年4月,解放军某部在湖北随县修建营房时,发现了一座大型古墓,墓主人是战国初期曾国的一位名叫“乙”的人。此人酷爱音乐,在他的墓中出土的乐器有磬、鼓、瑟、琴、笙、箫和一套铜制编钟,吸引了考古学家和声学家。

  这套编钟由8组65个钟组成,分上中下三层,排成曲尺型,总重量5000多公斤。钟架下面两层彩绘精美的方木横梁,由六个仪容俊美的青铜武士分层托举着,钟架横梁的每端都有透雕蟠螭的青铜套,承重的底座是三个雕花的圆型铜座。仔细看看这65个钟,大大小小,都有一定的几何形状。大钟的频率低,发音浑厚而低沉;小的频率高,发音清脆而高亢。每一口钟,都代表一个音调,配合起来就能奏出动人心弦的乐曲了。用这架埋在地下将近2400年之久的编钟演奏《楚商》、《洪湖水浪打浪》等古今乐曲时,美妙动听的乐声,余音袅袅,动人心弦。人们惊叹:原来并不是现代音乐家才懂得和声的立体感,我们的祖先早在战国初期就开始探索了!

  四.自制“示波器”观察声波

  让我们造个土“示波器”,用它来观察声波。

  找一只空铁皮罐头盒,去掉盖和底,用一小截铁烟囱也行。再找一个破气球,把气球皮剪开,盖到铁筒的一头,用小线或皮筋把气球皮绷紧扎牢。再找一小块镜片(约3-9平方厘米),没有镜片找一小块玻璃也可以。把小镜片粘在绷紧了的气球膜上,使小镜子的位置在铁筒口的一侧(不要在正中心)。这就是一个土“示波器”。

  在有阳光的情况下,你拿着土“示波器”站到窗口,让阳光斜射在那块小镜子上,看!小镜片反射出的阳光在墙上映出了一块光斑。那就是土“示波器”的光屏。当你对着土“示波器”的筒口高声喊叫的时候,光屏上出现了波影!

  显然,这是由于你喊出来的声波使土“示波器”的膜发生振动的结果。为了进一步研究波的性质,你不妨找一根绳子再做个实验。

  把一根绳子的一头固定在墙上,用手拿着另一头,把绳子拉成水平。好,你的手上下振动吧,看!绳子上出现了一个凸起又凹下的状态,并且向前传播开来。这个一会凸起,一会凹下的状态,就是一种波。

  向平静的水面投上一块石头,就能激起一圈圈的水波,波水涟漪向外传播。水面上漂浮的树叶随着水波的到来忽上忽下,却不会漂走。如果你在抖绳子时,在绳子上穿上一个小纸片,你会发现,那纸片虽然跟着波上下振动,却不会随波游动,移到墙头。这说明,机械波传播的是振动和振动的能量,而不是物质本身。

  振动在它周围物体中的传播就叫波。

  那么,空气中的声波是怎样传播的呢?我们不妨找一根软些的弹簧再做个实验。

  把弹簧的一端固定在墙上,用一只手提起另一端,轻轻一推,看!弹簧圈一疏一密地向墙壁运动了。

  仔细看一看弹簧上的波动,你就会发现,它和绳子上的波动大不相同:弹簧上的每个点(我们叫它质点)振动的方向和波的传播方向是相同的;绳子上的每个点振动的方向却和波的传播方向相垂直。我们把质点的振动方向与波的传播方向相同的波叫纵波,质点的振动方向与波的传播方向相垂直的波叫横波。

  我们再仔细分析一下土“示波器”的实验:声波从铁筒的口传进去,由筒里的空气传到皮膜,引起皮膜振动,皮膜振动的方向和波的传播方向是一致的,因此,空气中的声波是纵波。

  在抖绳子的实验中,你会看到两个相邻的凸起之间有一个凹下去的部分,那凸起的部分叫波峰,那凹下去的部分叫波谷。两个相邻波峰中点之间(或两个相邻波谷中点之间)的距离,就叫一个波长。你会发现,如果你抖动得均匀,那波长是一定的。

  纵波的波长是指两个相邻密部中心之间(或者两个相邻疏部中心之间)的距离。

  波传播的速度叫波速,波速(ν)、波长(λ)和频率(f)的关系是:

  波速=频率×波长,

  即 ν=fλ。

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