關於振動的裝置製作一個值得思考的學生實驗

科學實驗
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人教版八年級上冊在研究音調跟頻率的關係時這樣描述：如圖所示，將一把鋼尺緊按在桌面上，一端伸出桌邊。撥動鋼尺，聽它振動發出的聲音，同時注意鋼尺振動的快慢。改變鋼尺伸出桌邊的長度，再次撥動。注意使鋼尺振動的幅度大致相同。比較兩種情況下鋼尺振動的快慢和發聲的音調。

北師大版八年級上冊教材在研究音調與頻率的關係時這樣描述：將一根較窄的長度約30釐米的鋼鋸條緊壓在桌面的邊沿，使它絕大部分都伸出來。撥動它的端部，可以看出鋸條在振動。然後回縮一些，約伸出全長的3/4～2/3，再撥動它，可以看出振動變快。由此可以得知，鋸條越短振動越快。再縮短鋸條伸出的長度，使它大約有全長的1/3，撥動後不但能夠看到鋸條在快速振動，還能聽到鋸條振動發出的聲音。繼續將鋸條縮短几次，注意聽振動時發出的聲音高低有什麼不同。

本實驗因取材容易，現象明顯，效果好。從而普遍被各個版本的教材採用以研究音調跟頻率的關係。

教學中，我們要求每個學生就用自己的塑料直尺做了這個實驗，效果不亞於鋼尺和鋸條。在學生實驗過程中，我們注意到一個細節：直尺在振動時，振動部分的體積越大，頻率就越小，音調就越低；反之，振動部分的體積越小，頻率就越大，音調就越高。

那麼，振動體的體積與頻率是否存在著某種內在的關係呢？

上面的學生實驗告訴我們：振動部分的體積越大，頻率就越小；振動部分的體積越小，頻率就越大。

縱觀古今中外的幾百種傳統樂器，按它們振動發聲的原理不同，大體可以分為三大類：打擊樂器，絃樂器，管樂器。

在打擊樂器中，編鐘是我國古代的一種中大型打擊樂器，用青銅鑄成，它由大小不同的扁圓鍾按照音調高低的次序排列起來，懸掛在一個巨大的鐘架上，用丁字形的木錘和長形的棒分別敲打銅鐘，能發出不同音調的樂音，因為每個鐘的體積不同，按照音譜敲打，可以演奏出美妙的樂曲。

在敲打編鐘時我們會發現：鐘的體積越小，振動頻率越大，音調越高；鐘的體積越大，振動頻率越小，音調越低。

與此類似的一個學生易做的水杯琴實驗：把八個相同的玻璃杯排成一排，給每杯裡倒水，水是一個比一個少，然後，用筷子敲擊這八個水杯杯口，能聽到不同音調的聲音，調節各個水杯的水量，可使他們依次發出doremifasollasido的聲音，這樣就製成了一套水杯琴。

原來，加水之後的杯子，杯子和水成為一個整體，由於振動體的體積越來越小（非杯中空氣的體積），因而頻率越來越大，音調越來越高，於是發出了上面的聲音。

在管樂器中，柱狀形空氣（習慣稱空氣柱）振動特點是：管子越長、直徑越大，即空氣的體積越大，振動時頻率就小，音調就低。反之亦然。因此，改變管的長度和寬度即改變振動體的體積就可以改變空氣柱振動的頻率，從而改變音調。吹奏笛子時用手指按住或放開它上面不同的孔，就改變了空氣柱的長度即改變了管內空氣的體積，從而改變了空氣振動的頻率，就能發出不同音調的聲音。

給熱水瓶裡裝開水時，隨著水位升高瓶內空氣的體積越來越小，因而空氣振動的頻率越來越大，音調越來越高，就知道水快要裝滿了。