声音玩具科学原理与探讨.pdfVIP

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声音玩具科学原理探讨 台中教育大学科学应用与推广学系叶聪文 听觉为人类重要的感官之一,尤其儿童对于声音的变化 吸管笛音调高低与管长有关的现象,是因为簧片所产生 相当敏感。因此可以利用声音科学玩具所产生的趣味现象, 的声音波动在吸管中形成驻波并达到共振状态。在理想条件 激发学童探究的学习兴趣。对于教育工作者而言,若能透过 下,驻波波长A与吸管管长£服从关系 适当设计的探究学习过程,在课程中融人模仿科学家研究问 丸 题或解决问题的历程,将能达到启发学童认识科学本质及相 互2ij五 (1)、, 关科学知识的目的。本文为作者根据多次向中、小学教师介 式中n=l,2,3。然而在真实状况下,吸管管径d与管长£ 绍如何应用声音玩具发展科学课程的研习内容,内容包括藉 的比例及吸管的材质皆会影响驻波的波跃。为方便说明,以 由探讨吸管笛的发声现象引起学习动机、介绍驻波现象的发 驻波基频厂=Ⅶ厶为说明对象,因此驻波条件成为: 生、探讨吸管笛笛管长度与声音高低间关系、探讨音速大小 删O f=——————二=——=- 与基频间的关系、由科学史观点探讨音速及声音传播过程的 ’m0÷神 (2) 科学解释。 音速c与当时空气的温度7’(单位为摄氏温标)有关 X 1.3+0.606 从科学史观点,牛顿的“音速问题:声音速度的理论值 vo=(333 T)m/s (3) 比实验值小15%”为物理科学史中的一个重要问题。此问题 曾困扰科学家将近100年时间,期间有无数的科学家投身此 为管口修正系数,意义为管内音波传播遇管口端发生反射 问题的研究,包括著名欧拉、拉格兰日、拉普拉斯等人。近 时,音波的反射点偏离管口的程度。若已知当时温度丁,即 代科学对音速的描述来自拉普拉斯所提出的解释,能合理地 可预测管中传播声音的音速Vo及共振频率.矗 说明实验结果与牛顿的计算结果间的差异。音速问题的原因 式(2)中所列的声音公式是物理史上历经一段相当长的 可能是牛顿当时在计算音速时,曾假设声音在空气中的传播 时间才发展完成的一项重要科学成就。历史上第一位写下音 过程为一种等温膨胀与压缩的热学过程。根据波义耳定律 速公式的科学家即为知名物理学家牛顿先生。牛顿在其名著 (Boyle’Slaw),在等温过程中,空气的压力变化与密度变化成 正比。拉普拉斯认为声音传播过程中,空气气体的膨胀压缩 过程是一系列疏密相间的纵向波动。根据机械波的特性:波 过程应极为短暂,使得膨胀压缩部分的空气与其周围空气间 动的传播速度与传播介质的密度平方根成反比,与介质的弹 将无法达到热平衡状态,造成两者间几乎没有热量的交换, 性系数的平方根成正比。另外,由波义耳定律:在等温下, 声音传播过程应为一种绝热膨胀压缩过程而非牛顿所假设的 空气的压力变化与密度变化成正比。因稀疏区空气的压力及 等温过程。根据此推想,拉普拉斯提出音速的修正公式,称 密度应较密集区空气的压力及密度小。显然,声音的传播速 为牛顿啦普拉斯音速公式,该式对牛顿的音速公式增加一项 度与压力与密度的变化有关。牛顿因此推论在等温下,声音 痧,其中’,为空气的绝热指数。 的速度应与密度平方根成反比,与压力的平方根成正比,此 首先介绍简易吸管笛的制作方式。取一根饮料用吸管(长 称为牛顿的音速公式。大部分教科书推

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