“声音的产生与传播”实验的生活化设计

摘要

人教版物理教材中“声音的产生与传播条件”实验存在一定的不足。对此，采取生活化取材方式，运用放大化思维，采用直接观察方法，重新设计新的实验。新的实验分声音“产生”与“传播”两部分，采用验证与对比方法，逐步递进，归纳并推导出实验结论。整个实验过程均使用同一装置，确保主题与主体稳定，实现可视化，体现科学、严谨的实验特点。

Graphical abstract

关键词

生活化设计 / 声音的产生 / 声音的传播 / 实验改进

针对现有教材实验不能直观、生动地展现“声音产生与传播条件”物理概念的现实，选取生活中常见的贺卡为基础材料，以“声音”为主题线索，以“直接观察”“验证和对比”“逐步递进”方式设计实验，并对实验装置进行设计与改进，力求提升学生核心素养。

1 问题的提出

1.1 课标与教材分析

《义务教育物理课程标准（2022年版）》^［1］针对“声音的产生与传播”实验的教学提示是，指出“声音的产生与传播条件”要注重问题导向，引导学生提出问题。人教版物理（2012年）八年级上册第二章关于“声音的产生与传播”部分的重点是：观察拨动绷紧的橡皮筋、触摸说话时颈前喉头部分等实验，认识声音的产生；逐渐抽出玻璃罩中的空气，倾听罩中闹钟响玲声音的变化，再逐渐放入空气，对比声音变化，认识声音传播的条件^［2］。

1.2 分析存在的问题

在实际课堂教学中发现：“观察拨动绷紧的橡皮筋”，存在音量小、振动快的问题；触摸说话时的颈前喉头部分，存在振动微弱的问题；两者的问题都属于现象难以可视化。而真空铃实验，则应该回归到“观察发声体本身”上来。

2 实验设计与测试

2.1 实验一：声音是由物体的振动产生的

（1） 实验材料与装置。

为了让物理实验更加生活化，从贺卡上面拆下一块音乐模块作为主体材料，又从废弃泡沫板上剥下小小的泡沫颗粒作为放大现象的原材料。如图1所示，实验装置主体部分是由贺卡音乐模块（右边）以及泡沫颗粒（左边）组成。其中，贺卡音乐模块由电源、开关、音乐芯片（含存储部分）、音量调节、扬声器等组成。泡沫颗粒放置在贺卡模块的扬声器上，选取一根透明有机玻璃管并将其粘连在扬声器上方。

（2） 实验原理与实验过程。

实验原理：在贺卡音乐模块播放时，扬声器发声使得扬声器纸盘振动，而放置在其上方的轻小物体——泡沫颗粒，会随着振动而跳动。

实验过程：①检查泡沫颗粒是否足够（以能覆盖扬声器表面即可），再检查透明有机玻璃管是否粘连牢固；将纽扣电池装入贺卡音乐模块中。②打开音乐模块开关，观察有机玻璃管内的泡沫跳动情况。③调节音量大小，观察玻璃管内泡沫的跳动情况。

在实验过程中可以观察到伴随着音乐的播放，泡沫颗粒随之跳动，而音量的大小会影响到泡沫的跳动高度：音量越大，高度越高；音量越小，高度越低。

（3） 实验创新点。

实验器材的选择贴近生活，体现了“从生活到物理”的新课程理念；取材方便，成本低廉。实验的设计与改进，避免了音量小的问题，同时音量可以由贺卡音乐模块调节，做到全体学生都能听得到、看得清，实验现象明显。在跳动过程中，泡沫颗粒会在空中停留，避免了振动过快看不清、振动微弱看不到等问题，实现了振动的可视化。泡沫对振动比较敏感，实现了实验现象的放大。

2.2 实验二：声音的传播条件

（1） 实验材料与装置。

为保持主题线索一致，沿用前述实验装置作为主要结构。在此基础上，增加一根透明有机玻璃管，并在其中间用一块打了孔的有机玻璃小圆盘隔开，随后向新增的这根玻璃管中加入泡沫颗粒。在实验过程中，要使两根有机玻璃管中间粘连好，形成一个整体结构。为了使学生观察到声音在真空中的传播情况，还需要增加一个真空负压箱体以及抽气机。

（2） 实验原理与实验过程。

实验原理：如果声音能传播出去，装有相同材料的新增有机玻璃管内的泡沫也将一起振动起来；如果不能传播出去，其中的泡沫就不能振动。实验抽真空后，可以验证真空环境中发声体的状态是否改变。

实验过程：①检查仅有一根有机玻璃管的实验装置中的泡沫是否足够、各部件是否粘连牢固。②打开音乐模块开关，调节到大音量状态，可以观察到泡沫颗粒在其中的跳动情况；保持实验装置状态不变，将其放入底部消音板的真空负压箱体中；关闭箱体，连接抽气机，开始抽气，即可观察气压变化以及泡沫颗粒的跳动情况。③持续保持最低负压状态，观察泡沫的跳动状态。④轻轻打开气阀，缓慢地注入空气，观察泡沫的跳动情况。⑤将装置从真空箱中取出，粘连上新增的有机玻璃管及带孔圆盘，向其中间放入泡沫；检查装置正常后，播放音乐，观察上下玻璃管中泡沫的振动状态。⑥再将装置放入真空负压箱体中，关闭箱体，连接抽气机，开始抽气；观察气压变化，以及上下管内泡沫颗粒的跳动情况；持续保持最低负压状态，观察上下管内泡沫的跳动状态；缓慢打开气阀，逐渐注入空气，观察泡沫的跳动情况。

（3） 实验现象及结论。

①在实验过程中可以观察到，直接连接在扬声器上玻璃管内的泡沫，在常态、抽气状态和近似真空状态下，均保持一样的跳动状态。缓慢地重新放入空气，泡沫跳动状态依然没有变化，说明空气对扬声器的振动及其导致的泡沫跳动状态未受到影响。加上玻璃管后，发现在常态，上下两节玻璃管内的泡沫会随着声音跳动；在抽气状态下，下方接触扬声器的玻璃管跳动状态依然保持不变，上方新增的玻璃管内泡沫的跳动状态逐步减缓，直至接近真空状态时，停止跳动。保持最低负压状态，下方玻璃管内泡沫依然保持不变地跳动，而上方不再跳动；相反，缓慢地重新注入空气，则上方玻璃管内的泡沫逐步恢复跳动，直至恢复到常态下的跳动状态。

②实验难以做到完全真空状态，但是在近似真空状态下，发声体振动没有任何变化，下方玻璃管泡沫不变，上方玻璃管停止跳动，由此可以推断出真空状态下的上下玻璃管的跳动情况。

③结论：真空对发声体的振动没有影响；常态下，声音可以传播；真空状态下，声音不能传播。

（4） 实验创新点。

①实验二的实验装置设计沿用前述同一个实验装置主体，体现了主题线索的一致性，对学生加深理解知识内容有良好的作用。

②实验采用先观察验证，再开展新实验设计，逐步递进的方法，体现了物理学科研究的严谨性与科学性。先验证新实验环境是否对研究主体产生影响，若无影响，则展开新的实验探究，从而消除了学生的疑虑。

③实验自始至终都以发声体作为研究对象，不存在声音的多层传播，使实验研究对象简明直接。

④实验现象明显，不仅可以肉眼观察到现象，而且可以重复观察整个实验过程，同时可以获得声音在真空传播的可逆过程。

⑤整个实验过程可视化，不必从嘈杂的声音中再去辨别声音的细微变化，避免了主观臆断，便于培养学生的物理学科核心素养。

3 再改进实验设计

从实验效果看，将贺卡音乐模块引入“声音的产生与传播”实验并不是十全十美的，也存在不足之处。对此，可以再进行必要的改进设计。

（1） 实验选用贺卡音乐模块，简单方便、低成本，但也带来一个问题是功率较低，且扬声器的振动幅度等受到制约，因此，可以换用功率较高、振幅较大的扬声器进行改进，以放大实验的效果。

（下转第68页）

（2） 选用废弃的泡沫板，在剥成小颗粒时，有极小部分存在静电，难以掉落到扬声器纸盘上，对此，需要进行筛选。当然，可以购买专用的泡沫颗粒进行实验，即可减少静电的产生。

（3） 实验二采用消音板作为避免固体传声的材料，看似发声体通过消音板依然跟真空箱接触，但这容易让学生产生固体传声的疑惑，对此可采用悬浮结构，即以隔离接触方式进行设计，则自制电磁悬浮结构避免这一问题。

4 结语

改进设计“声音的产生与传播”实验，使材料选择较为便捷，体现了物理实验设计与改进的生活化。在整个实验设计过程中，始终坚持培养学生物理学科核心素养理念。实验设计与改进还存在一些不足，这些不足决定了我们有必要对实验进一步加以完善，如实验设计时可以拓展声音的频率范围等。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 义务教育物理课程标准（2022年版） ［S］.北京：北京师范大学出版社，2022.

[2] 人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.义务教育教科书物理八年级上册·教师教学用书［M］.北京：人民教育出版社，2012.