有趣的声学小制作

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。