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声现象难点探析
一 关于音调、音色问题在初中物理新课标教材第一章“声现象”有这样一个问题：“买瓷碗时，人们常会敲一敲碗，通过声音来判断碗是否有破损，这个方法要应用了声音的什么特征？”类似问题还有： 1、工人用敲打方法查找锅炉的破裂处，是根据（音调、音色）？ 要弄清楚这些问题，首先就要明确音调、音色的概念和决定因素。 一、概念： 1.音调是指声音的高低，它是由声音的频率所决定，频率越高，则音调越高。而声音的频率又由声源的固有频率决定，一个声源给定的话，它发出的声音的频率就一定了。当声源发生了变化，那它发出的声音的频率也将发生变化，音调也要变化。 2.不同的物体发出的声音，即便音调和响度相同，我们还是能够分辨它们。这表明在声音特征中还有一个因素十分重要的，它就是音色（musical quality).不同发声体的材料、结构不同，发出声音的音色也就不同。 对音调的理解较为容易，但音色较复杂，这是因为一般物体发声时往往会有多个频率的声音同时发出，其中频率最低的声音叫基音，它的频率就决定了物体所发声音的音调；其他频率声音的强度都比基音弱，频率都是基音的整数倍，我们把它们叫做泛音。从波形图中则可以清楚地看出不同音色声音的本质。由课本中的图1．3－5可以看出，音叉、钢琴和长笛的基频（振幅最大的振动的频率）相同，但是在基频的基础上还有一些附加的小的振动，这些小的振动和大的振动一同决定了声音的音色。
二、分析 我们先来看教材中的例子： “买瓷碗时，人们常会敲一敲碗，通过声音来判断碗是否有破损，这个方法要应用了声音的什么特征？” 瓷碗有破损时，会造成缺一小块或出现一些裂缝，结构会改变，因此，音色会不同。发声物体的内部断裂必然改变它的本身属性，其发声音调也必然改变。因为碗原本振动的完整的圆轨也破坏了，振动的部分发生了改变，其振动频率也会发生改变，因而发声的音调（基调）必定会改变。因而本问题的答案应为：根据碗的音色和音调来判断碗是否有破损，而且是利用音调为主，利用音色为辅。 至于第1、3问题，由于声源是几乎相同的（锅炉或车轮，且体积也相对较大），所以不论敲打到哪里（局部），发出的声音的音调几乎是一样的（基准最低的频率一定）.但破损处发出的声音的音色与完好无损处是不一样的，这好比一个人在正常时发出的声音和感冒，造成声带充血时讲话不一样有点相似，讲话的音调好像没变，但音色发生了变化。所以此类问题的答案是：凭借技术员的经验，根据音色的变化敏锐感觉出锅炉或车轮是否有破损。 挑选西瓜时，生西瓜和熟西瓜是不同的两个声源、正由于声源的不同，内部结构也不同，发出的声音的频率肯定不同，音色也不同。但也是利用音调为主，利用音色为辅来判断。 为了体验声音在不同介质是传播速度不同的物理现象 为了体验声音在不同介质是传播速度不同的物理现象，请一位同学在输送水的直铁管道上敲击一下，使铁管发出清脆的声音，其余同学沿铁管分别在不同位置耳朵贴近铁管听声；
A同学说自己只听到一次响声； B同学说自己听到两次响声； C同学说自己听到三次响声。 已知声音在空气中的传播速度是V气=340m/s，在水中的传播速度是V水=1700m/s，在钢铁中的传播速度是V铁=5100m/s。请你通过计算说明：在铁管上某处敲响一次，A．B．C三位同学的位置到敲击点的距离各在什么范围内？ 解析： 我们要具备一个基本常识，那就是人耳对声音的区分反应时间为0.1秒，即两个声音到达人耳的时间差在0.1秒以下，那人耳基本上就不能区分这两个声音，以为是同一个声音。 我们设A距离声源为S1，此时声源发出的声音经铁管、水、空气传到A耳的时间差均应小于0.1秒，即有： S1/340-S1/5100<0.1 S1/1700-S1/5100<0.1 S1/340-S1/1700<0.1 解得：S1<36.5m； 我们设B离声源为S2，B听到空气传来的声音、铁管与水传来的声音（合二为一），则有： S2/340-S2/1700>0.1 S2/340-S2/5100>0.1 S2/1700-S2/5100<0.1 解得：36.5m<S2<255m； 我们设C声源为S3，C分别听到空气传来的声音、铁管、传来的声音（三声），则有： S3/340-S3/1700>0.1 S3/340-S3/5100>0.1 S3/1700-S3/5100>0.1 解得：S3>255m； 敲瓶发声和吹瓶发声敲瓶发声和吹瓶发声音调的变化是声学部分常见题目，也是易错题型，在教师中还没有形成共识。敲瓶发声一直有两种不同的答案。一种赞同敲瓶后发声体是瓶内空气，盛水越多，空气柱越短，音调越高，与吹瓶发声相似；第二种认为发声体是瓶身。我赞同后者，敲击时，瓶身、水和瓶内空气都在振动，发声的应主要是瓶身的振动。这样确定了发声体，则可知盛水越多瓶身越不宜振动，音调越低。单凭说教学生很难理解和接受，只有通过亲历的探究来实现。
探究目的：确定发声体，探究发声的规律 解决这一问题的关键是确定发声体 需要准备的器材（如图所示）七只盛有不同量水的瓶子。  一、敲瓶发声 1．演示设疑：敲击瓶子发声，提问是什么在发声？ 2．猜想：（对这类简单问题学生会积极回应）水、瓶、瓶中空气或三者共同发声。 3．进入下一环节设计实验 启发：是水、是瓶子还是瓶中空气？能不能将其中的因素分离出来？（很有挑战性，学生也能够达到，所以学生会积极响应） （1）敲击空瓶将水分离出来。 （2）盛满水将空气分离出来。 4．进行试验 敲击空瓶能听到声音。 敲击盛满水的瓶子也能听到声音。 很自然得出结论：即没有水和空气都能发声，确定主要发声体是瓶子本身。 5．敲击这七只瓶子寻找音调变化的规律：盛水越多瓶身越不宜振动，音调越低。如图所示敲出的声音音调从左到右应是由高到低。（学生很有成就感） 二、吹瓶发声 探究指导：实验顺序先确定发声体再寻找音调变化的规律。 1．确定发声体 引导学生怎样创造性的完成实验。 猜想：发声体可能是空气。 设计实验：能不能控制这一因素，瓶子盛满水将空气排净，将空气这一主要因素分离出来，问题解决。 学生在学习管乐发声的基础上会容易完成探究。 探究结论：吹瓶发声，很显然是引起瓶内空气柱的振动，盛水越多，空气柱越短，则音调越高。如图所示吹出的声音音调从左到右是由低到高。 空气传导与骨传导的对比题目：当你叩击自己的上下牙齿，或者咀嚼一只胡萝卜时，你能清楚地听到自己牙齿的扣击声或咀嚼声.若你用手把耳朵塞起来，这声音反会变得更响，这是为什么呢？分析：在通常情况下，声波借空气传入外耳道，使鼓膜振动，产生听觉.这是声音传导的主要途径，称为“空气传导”或“气传导”.但是，整个听觉器官基本上都埋在颅骨中，故声波还可以不经鼓膜而直接沿头骨、颌骨传入内耳，这称为“颅骨传导”或“骨传导”.与“气传导”相比，骨传导一般是不很重要的.人在把耳朵塞起来时，主要是“骨传导”，没有把耳朵塞起来时，主要是“气传导”，由于声音在固体中传播速度比空气中快，所以会觉得声音反会变得更响. “声现象”三种典型研究方法一、实验推理法──“真空铃实验”
实验过程：如图所示，在用抽气筒不断向外抽气的过程中，听到的声音渐弱，但依然可以听到声音。原因由于玻璃钟罩气密性、抽气筒等原因，不可能将玻璃钟罩完全抽成真空，二是小电铃与钟罩底座或顶部接触，声音可以通过固体传播。通过实验让学生有一个直接的感性认识，然后再引导学生进行合理的分析推理：如果没有空气，将听不到声音。进而得到结论：“声音的传播需要介质，真空中不能传声”
典型试题： 例1（北京密云）课堂上，老师给同学们做了这样两个声学实验，图甲是将一把钢尺压在桌面上，一部分伸出桌面。当用手拨动其伸出桌外的一端时，钢尺发出声音。图乙是老师把电铃扣在钟罩里并让其发声，我们既可听到清脆的铃声。当老师用抽气机抽掉钟罩里的空气时，我们发现，随着钟罩里的空气逐渐变少，铃声逐渐变小。这两个实验能说明声音的传播需要介质的是_____________实验（选填“甲”或“乙”）。
【解析】甲实验说明声音是由物体的振动产生的，乙实验说明声音的传播需要介质。 二、放大法（转换法） 1．探究声音产生的条件（如图所示）
声音是由物体的振动产生的，有些声源的振动效果显著，可以直接观察，而有些声源的振动效果较弱，不易直接观察。在实验中可以通过一些转换，对声源的微弱振动进行放大，进而探究声音产生的原因。比如：在发声的纸盆上放小纸屑，纸屑跳动；将敲击后的音叉放入水中，水花四溅；在桌面上放小豆粒（小玻璃球、小纸屑、一杯水），敲击桌面，观察其跳动等。 2．探究振幅对响度的影响（如图2）
在鼓面上撒些小纸屑，然后用不同的力度敲击鼓面，听声强弱的变化同时观察小纸屑跳动的高度，从小纸屑的跳动程度判断振幅的大小，从而得出振幅与响度的关系：“振幅越大、响度越强”。 典型试题： 例2（泉州）如图所示，在探究“声音是由物体振动产生”的实验中，将正在发声的音叉紧靠悬线下的轻质小球，发现小球被多次弹开。这样做是为了（ ）
A．将音叉的振动时间延迟 B．使音叉的振动尽快停下来 C．使声波被多次反射形成回声 D．将音叉的微小振动放大，便于观察 参考答案：D 三、类比法 1．声波概念的引入：声波比较抽象，同学们不易理解，借助水波进行类比，使学生有一个直观的感性认识，从而认识声波。 2．利用“波形”判断乐音和噪声、比较振幅对响度的影响
如图所示，通过波形理解乐音和噪声的根本区别：“乐音的振动是由规律的，而噪声的振动是杂乱的、无规律的”。 声学中的物理研究方法风声、雨声、流水声倾诉着大自然的千变万化，歌声、笑声、音乐声描述着人们的欢乐。人们研究声的世界时，常采用以下的研究方法。
一、转化法显示物体的振动 有的物理现象不便于直接观察，通过转换为容易测量到与之相等或与之关联的物理现象，从而获得结论。 例1 如图1所示，兰兰做有关声现象的实验时，将一个正在发声的音叉贴近面颊，目的是为了（ ）
A．感受发声音叉的振动 B．体验发声音叉的温度 C．估算发声音叉的质量 D．判断声音的传播速度 分析：本题是转化思想的极好体现，由于人眼不容易直接观察到声源的振动，探究时借助音叉触及面颊时的感觉显示音叉发声时在振动。 答案：A。 二、比较法 比较物体发声时与未发声时的区别，用手按住正在发声的锣面，它立即不发出声音。先后对一鼓面轻敲和重击各一下，比较两次发出声音的响度不同。用硬塑料片在梳子齿上快划和慢划，比较音调的高低。 三、归纳法 例2 如图2所示的这些现象说明：正在发声的物体都在________。
分析：本题重在归纳，“纸屑的跳动”“纸片的跳动”“激起水花”都说明发声体在振动，同时也从近几年阅卷情况来看，此处失分颇为严重，原因就在对关键词的处理上，此处“振动”非“震动”，诸如“摩擦”非“磨擦”“竖直向下”非“坚直向下”等都是同学们易出错的关键字词，考后不少同学感觉良好，实际与估计的考分有一定的相差，这里也算得上要考虑的一处。 四、用“实验+推理”的方法推导 实验推理法是指在人类现有认识水平、实验仪器等条件的限制下无法直接去认知、验证某些物理特性或物理规律时，就在已有的相关的实验事实的基础上，进行逻辑推理和猜测，从而得出结论的方法。 例3 请你对下面物理实验情景进行分析并得出结论。把处于发声状态的响铃放在密闭的容器内（如图3所示），逐渐抽出其中的空气听到的声音越来越小，最后几乎听不到声音，这说明_____________。
分析：本实验如果要放在真空环境中做实验是不可能的，随着容器内空气的不断抽出，空气越来越稀薄，听到声音越来越弱，可以推理：如果被抽成真空，将听不到声音，由此可以推出“真空不能传声”或“声音必须通过介质才能传出去”。 例4 声音传播的速度和温度有关，下表是空气中声速随温度变化的数据。
当飞机的飞行速度接近周围的声速时会受到相当大的阻力。上世纪中期，人们就尝试进行超音速飞行。在飞机速度有限的情况下，你能指出在什么情况下试验更容易成功吗？ 分析：从“当飞机的飞行速度接近周围的声速时会受到相当大的阻力”这样一个结论出发，我们可以分析到：只有飞机的飞行速度与周围的声速相差很大时，它受到的阻力才能减小。分析数据可知当温度升高时，声速增大；温度降低时，声速减小，都可符合要求。而当时尝试进行的是超音速飞行，所以应在温度较低的地方试验容易成功，比如两极、冬天、高空等等。 五、水波类比声波──类比法 音叉振动时，附近空气粒子随音叉振动，形成一系列疏密相间的形状向四周传播，这就是声波，这就像石块落入水中激起水波一样。 六、研究隔音材料用控制变量法 噪声污染与水、空气、垃圾污染一样，也是环境污染的一部分。在1979年联合国召开的世界环境保护大会上，将噪声列为当代人类最不可容忍的灾难之一。防止噪声有各种方法，其中“隔声”是控制噪声污染的重要方法之一。 例5 小明想比较几种材料（衣服、锡箔纸、泡沫塑料）的隔音性能，现有器材：音叉、机械闹钟、鞋盒，则在本实验中适合作声源的是_______；小明设计了一种实验方案：让人站在距鞋盒一定距离处，比较所听见声音的响度．实验中小明记录实验数据及现象如下表，则待测材料隔声性能最好的是 。
分析：适合做声源的是机械闹钟，因为它与音叉相比一直在发声。此方案采用了控制变量法，因为声音的响度与物体离声源的远近有关，离声源越远，响度越小。在控制了听者与声源距离相同的情况下，研究材料的隔音性能与材料的关系，可以看到隔音性能最好的是泡沫塑料。 |
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