人教版八年级物理上册第二章“声现象”第2节“声音的特性”介绍了声音的3个特性，教材演示实验简单易懂，但也有一定局限性，比如配备的老式台式示波器笨重不易携带，波形显示不易截图比较；拨动钢尺的音调演示实验存在钢尺声音小、音调差异不明显、力的大小无法控制相同、变量与结果非直接关系等不足，学生理解起来不够直观。利用现代化信息技术教学辅助设备或软件，自制一种演示教具克服原有教具的局限性，对教材中的演示实验进行改进，一套组合教具可将声音的3个特性逐一形象展示并加以说明。
1 “声音特性”演示教具的原理与结构
1.1 颗粒式昆特管原理
为了能看到纯粹驻波，把透明亚克力管子一端封住，另一端与低音喇叭口密封，管内封装一定量白色细小泡沫颗粒，实验中可观察到颗粒集中在波腹处，颗粒呈现一排排精细阵列结构，在垂直于直圆管轴线方向上出现动态而稳定的片状分布；振幅最小的点称为波节，此处颗粒基本静止不动
［1］。颗粒式昆特管形成纯粹驻波示意图见
图1。当满足
时（其中
f为喇叭的激励频率，
L为管长度，
n为自然数，
a是与声音介质特性相关的常数），管内出现纯粹的驻波；当
时，管内空气柱的振动可视为一行波与驻波的叠加
［2］。当昆特管出现纯粹驻波时（相邻两波腹或两波节间距离为1/2波长），由
（
V为声速，
λ为波长）推出驻波波长与频率成反比关系。当频率低时，喇叭振动慢，形成较长波长的驻波；当频率高时，喇叭振动快，形成较短波长的驻波。
1.2 教具整体运行原理及结构
平板或手机内声音信号发生器App发出特定频率（可手动调设）的声音信号（选择正弦波），信号经蓝牙发送到蓝牙功放板，功放板放大信号传至低音喇叭，喇叭发出声音振动管内颗粒；话筒（靠近喇叭）采集到声音信号传至虚拟示波器，示波器与电脑中的软件连接，将声音信号参数（信号的波形、频率、振幅大小等）显现出来。教具整体运行结构示意图见
图2。
2 教具所用器材介绍
平板或手机（含声音信号发生器App Sound Generator和音乐播放软件），蓝牙功放板，低音喇叭（4 Ω，40 W），透明亚克力管（外径63 mm，壁厚5 mm，长1 m），话筒，虚拟示波器LOTO OSC482M（含示波器上位机显示软件），电脑安装示波器上位机显示软件。
3 教具制作过程
本教具主要是器材的连线组合，组合简单快捷，但制作前的重难点在于功放板功率、喇叭功率、喇叭响应频率、管子长度及口径的选择兼容问题。喇叭功率要与功放板功率适配，喇叭功率太小，声波能量不足则现象不明显，同时喇叭都有自身的响应频率，在响应频段内正常输出声音并得到较强的振幅（声音的能量），不在响应频段范围内时音量会明显变小。低频喇叭在低频时会形成波长比较长的驻波便于观察，低频振动时携带能量比较充足，可以做成口径较大的较长管供观察；高频喇叭在高频时形成短波长的驻波，携带能力相对较小，管子不能制作太长，口径也不宜过大。
经过实践制作验证，最终选择120 W的蓝牙功放板，低音喇叭（4 Ω，40 W），透明亚克力管（外径63 mm，壁厚5 mm，长1 m），喇叭口与管子用半透明塑胶漏斗（切割加工而成）连接封装起来。因管内颗粒来回振动会造成颗粒回流到喇叭底部边框处（喇叭口径大，管子高度比喇叭边框高），颗粒拥堵在此处，管内颗粒减少，实验现象不明显，为此管口连接筛网防止颗粒回流。喇叭、漏斗、管子为不同直径的圆柱形，连接密封后，无法平放于桌面，为此用3片半圆形亚克力片去支撑三者，昆特管整体被支撑抬高，便于平放和观察。管子长达1 m，为了携带方便，功放板音频输出线不与喇叭输入端子焊定，而是采用夹子夹住连接。
4 使用方法及注意事项
4.1 喇叭与功放板连接，喇叭接上电源，功放板与手机 或平板蓝牙连接
（1） 功放板音频输出线接上喇叭输入端子（用夹子夹住）。
（2） 功放板连接220 V供电电源，用功放板的遥控器选择功放板的播放方式为蓝牙模式（有停电保持功能，选择一次后无改变将会一直保持蓝牙模式）。
（3） 平板或手机连上功放板的蓝牙。
4.2 话筒连线、示波器连接、示波器软件界面参数调整
（1） 话筒3.5 mm音频输出线接上LOTO虚拟示波器的信号采集线（选择X10衰减输入，避免上电时电压过大损坏示波器及电脑），将示波器连上电脑USB口，话筒靠近喇叭口。
（2） 打开示波器软件和话筒开关，点击示波器软件“开始侦测”开关即可侦测声波信号。
（3） 调整示波器软件界面参数，只需搭配并调整2个按钮“电压/格”“时间/格”即可。
4.3 平板或手机输出声音信号开始实验
打开平板或手机上的声音信号发声器App，选择信号波形、音量大小、频率等参数或播放音乐。
4.4 使用注意事项
对于响度、音色、音调3个概念，学生较易理解前两者，音调的讲授是本节的重难点。音调的定义及其与频率的关系是：音调指声音的高低，其根本的决定因素是发声体振动的频率，频率越高，音调越高；频率越低，音调越低。钢尺实验显示，当振动部分长度缩短时，振动加快，频率升高，音调变高；振动快慢与音调高低是正相关的关系，但因钢尺振动长度变化导致学生容易混淆频率与振幅（影响响度）两个物理量。
为说明振动快慢、频率及音调之间的关系，选择3种不同频率形成驻波。当昆特管制作完成后，长度既定，其形成驻波的频率也固定，输入频率由小到大调节，观察管内颗粒振动形成1个波腹（颗粒形成1个波峰形状）、2个波腹、4个波腹时频率分别为148 Hz、295 Hz、590 Hz。逐一输入148 Hz、295 Hz、590 Hz频率，引导学生倾听不同频率下喇叭的声音音调变化，容易得到频率低时声音低沉、频率高时声音尖锐刺耳的结论；引导学生观察管内颗粒驻波的形成情况，也容易得到频率低时振动慢但波长长、频率高时振动快但波长短的结论。
5 教学应用及效果呈现
5.1 导课环节：播放音乐
播放一段优美音乐，管内颗粒随音乐跳跃（
图3），示波器显示音乐波形（
图4），由此说明声音是由振动产生的，同时用颗粒的振动展示声音的物化形态，看到了声波的一种展现形式。艺术氛围的导课方式能尽快把学生的注意力引进设定的氛围，激发学生的好奇心和兴趣。
5.2 观察说话声音波形、音叉的波形
学生对着话筒说话，示波器显示其声音波形图，或让学生对着话筒敲击440 Hz音叉，示波器显示波形，让学生初步亲身感受声音及其波形之间的关系。
5.3 音调与频率的关系
平板或手机声音信号发生器发出148 Hz、295 Hz、590 Hz的声音信号，话筒采集信号传至电脑软件，可在软件界面观察其波形密集稀疏的分布情况并看到波形信号对应的频率分别是148 Hz、295 Hz、590 Hz；引导学生注意倾听不同的声音信号，辨别不同频率对应声音音调的高低（频率低音调低沉，频率高音调高、尖锐、刺耳）；148 Hz、295 Hz、590 Hz下管内颗粒振动情况：148 Hz时只看到1个波腹（颗粒形成1个波峰形状），颗粒波峰两侧波节（颗粒无振动）长度即为此频率下的驻波半波长；295 Hz时看到2个波腹，颗粒2个波峰之间的距离为此频率下的驻波半波长；590 Hz时看到4个波腹，颗粒2个波峰之间的距离为此频率下的驻波半波长；频率低振动慢波长长，频率高振动快波长短。
5.4 声音响度与振幅大小关系
平板或手机信号发生器发出某一频率比如200 Hz的声音信号，观察管内颗粒跳跃情况，把音量慢慢调节至最小，可看到颗粒高度也随之变小直至无振动高度。同步观察示波器波形，可看到频率不变化但振动幅度（波峰）逐渐减小，直至趋于中心线。人耳听到的声音也逐渐变到无声音。由此说明响度与振幅的正相关关系。
5.5 音色特性分析
利用平板或手机播放同一音阶C2（128 Hz）5种不同乐器演奏的音频信号，观察示波器波形，可看到它们的频率（示波器可侦测并显示频率约为128 Hz）基本一样，但是它们具体的波形形状不一样（不同乐器的波形图见图
5~
7），学生同步听到不同乐器发声不同，这就是音色不同。同步观察颗粒振动情况，因为音色不一样造成喇叭振动情况不一样，由此颗粒的振动形态也不一样。
6 教具特点
6.1 小巧便携，操作简单，功能齐全
相对于台式示波器，虚拟示波器有着小巧灵活、便于携带的优点，虚拟示波器软件是无需安装的插件，存放到教室讲台电脑直接点击即可使用；整套教具功能齐全，一套组合教具可将声音的3个特性逐一展示说明。
6.2 效果明显，现象新颖
示波器与昆特管的组合使用将音调频率数量化、直观化，将响度大小及音色差异可听化、可视化。利用该组合演示实验效果明显、现象直观新颖，激发了学生的学习兴趣，能帮助学生更好地理解知识点的内在逻辑。
7 结语
教学有法，但无定法。同一个教学内容，不同的教学方法会有不同的教学效果，自制教具的大放异彩带来的是教法的百花齐放。
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