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多普勒效应这一节课主要是从声音的现象入手来引入课题——当波源与观察者之间发生相对运动时观察者接收到的频率发生变化的现象。在笔者的教学中有两个问题,有两个实验方面的收获与读者分享:
一、视听同步分析声音的两个要素
第一是对于声音三要素的介绍,我们一直在设想能否突破初中的文字介绍,让学生真切感受到声音三要素的变化是如何影响声音效果的。于是设计如下实验,可视听同步观察、感受声音的变化:
将低频信号发生器的输出端连接到音响电路中,同时并联到示波器的Y输入与接地连接上。这样低频信号发生器发出的声音既可以通过音箱听到,也可以通过示波器看到波形。调节示波器的波形输入与低频信号发生器。当示波器上显示完整几个周期的波形时介绍振幅、周期(频率倒数)的表示。然后逐渐改变信号发生器的音量,可以看到示波器中的波形振幅发生变化,但是周期没变,耳边声音的音量(响度)变大或变小。
然后保持一个合适的音量不变,可见示波器显示的波形振幅不变。逐渐改变信号发生器的频率,声音的音调变高时可见示波器显示完整波形个数变多(即频率变大);反之,当声音变得低沉时,完整波形个数变少(频率变低)。
通过视觉与听觉的同步感受,更有助于学生对声音振幅和频率概念的理解,也提高了课堂效率。
二、水波演示多普勒效应实验的改进
第二是关于多普勒效应的实验演示,当波源靠近观察者时,观察者接受到的频率变高,远离观察者时接收到的频率变低。笔者曾在一篇文章中看过有老师的实验方案是在弹簧下固定一小球,使其振动接触水面,当波源移动时,能够观察到"处于运动前方的波形变稠密,运动后方的波形变稀疏"的现象。而在笔者的实际操作过程有两个问题一直难以解决:一是弹簧振动很不稳定,而且由于机械能能量损失较快,往往是五到八个周期就已经不能再接触到水面了;二是弹簧不好固定,即便是固定好了,由于上方固定弹簧装置会遮挡直线,也不便于拍摄波形投影给学生观察。
经过多次改进,笔者设计了一个长1m,宽30cm,深度3cm的玻璃水槽,在水槽内壁粘上海绵以尽量消除反射波的叠加影响。如果条件允许可以把侧壁的玻璃设计成向外倾斜的形式,以最大限度减少反射波的影响。然后将演示波的衍射实验用的2208型直投式发波水槽中的可调振源取下,固定在探究牛顿第二定律实验的小车上,小车可以在轨道上自由滑行。调节振源的高度,使其恰好与水面接触。当小车沿着平行于水槽的轨道匀速向前滑行的时候,通过正面投影即可向学生展示波形疏密的变化。示意图如下。
这样改进以后,一是波源的运动更方便控制,二是可以从这面没有遮挡的条件下投影,很便于学生观察。然后再解释视频文件中火车鸣笛而过的声音变化成因,收效很好。
通过这两个实验的设计与改进,既增强了课堂的观赏性,同时也把一些理论化的结论用更为直观的方式加以阐释。一点收获与体会,与各位同仁探讨研究。
一、视听同步分析声音的两个要素
第一是对于声音三要素的介绍,我们一直在设想能否突破初中的文字介绍,让学生真切感受到声音三要素的变化是如何影响声音效果的。于是设计如下实验,可视听同步观察、感受声音的变化:
将低频信号发生器的输出端连接到音响电路中,同时并联到示波器的Y输入与接地连接上。这样低频信号发生器发出的声音既可以通过音箱听到,也可以通过示波器看到波形。调节示波器的波形输入与低频信号发生器。当示波器上显示完整几个周期的波形时介绍振幅、周期(频率倒数)的表示。然后逐渐改变信号发生器的音量,可以看到示波器中的波形振幅发生变化,但是周期没变,耳边声音的音量(响度)变大或变小。
然后保持一个合适的音量不变,可见示波器显示的波形振幅不变。逐渐改变信号发生器的频率,声音的音调变高时可见示波器显示完整波形个数变多(即频率变大);反之,当声音变得低沉时,完整波形个数变少(频率变低)。
通过视觉与听觉的同步感受,更有助于学生对声音振幅和频率概念的理解,也提高了课堂效率。
二、水波演示多普勒效应实验的改进
第二是关于多普勒效应的实验演示,当波源靠近观察者时,观察者接受到的频率变高,远离观察者时接收到的频率变低。笔者曾在一篇文章中看过有老师的实验方案是在弹簧下固定一小球,使其振动接触水面,当波源移动时,能够观察到"处于运动前方的波形变稠密,运动后方的波形变稀疏"的现象。而在笔者的实际操作过程有两个问题一直难以解决:一是弹簧振动很不稳定,而且由于机械能能量损失较快,往往是五到八个周期就已经不能再接触到水面了;二是弹簧不好固定,即便是固定好了,由于上方固定弹簧装置会遮挡直线,也不便于拍摄波形投影给学生观察。
经过多次改进,笔者设计了一个长1m,宽30cm,深度3cm的玻璃水槽,在水槽内壁粘上海绵以尽量消除反射波的叠加影响。如果条件允许可以把侧壁的玻璃设计成向外倾斜的形式,以最大限度减少反射波的影响。然后将演示波的衍射实验用的2208型直投式发波水槽中的可调振源取下,固定在探究牛顿第二定律实验的小车上,小车可以在轨道上自由滑行。调节振源的高度,使其恰好与水面接触。当小车沿着平行于水槽的轨道匀速向前滑行的时候,通过正面投影即可向学生展示波形疏密的变化。示意图如下。
这样改进以后,一是波源的运动更方便控制,二是可以从这面没有遮挡的条件下投影,很便于学生观察。然后再解释视频文件中火车鸣笛而过的声音变化成因,收效很好。
通过这两个实验的设计与改进,既增强了课堂的观赏性,同时也把一些理论化的结论用更为直观的方式加以阐释。一点收获与体会,与各位同仁探讨研究。