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一種新型共振演示裝置的設(shè)計與制作

特古斯

(通遼職業(yè)學(xué)院內(nèi)蒙古 通遼028000)

在高職《物理》“機(jī)械振動和機(jī)械波”一章關(guān)于聲音的共鳴實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中，通常采用兩個頻率相同的音叉進(jìn)行實(shí)驗(yàn) ,敲擊其中一支音叉后及時用手將其握住,聆聽另一支音叉振動發(fā)出的聲音.當(dāng)策動力的頻率與第二個音叉的固有頻率正好相同時，第二個音叉發(fā)生振動且振幅達(dá)到最大，這種現(xiàn)象叫做“共振”．例如，收音機(jī)的選臺，用音叉給弦樂器定音，運(yùn)動員攀登雪山時不能大聲喊話，軍隊(duì)過橋時不允許邁著整齊的步伐等等都與共振知識密不可分．為使學(xué)生進(jìn)一步加深對共振知識的理解，筆者在教學(xué)中設(shè)計制作了一種新型共振演示裝置，供學(xué)生觀察討論，取得了良好的教學(xué)效果

1演示裝置的組裝

如圖1所示，共振演示裝置由共鳴箱、共鳴箱底座、弦桿、二胡鋼絲弦、二胡琴碼、二胡琴軸，音叉和二胡琴弓等組成．

圖1　共振演示裝置結(jié)構(gòu)圖

圖2　電子校音器

共鳴箱是用厚度為0.6 cm紅木板制成的5 cm×9.4 cm×19 cm的長方體，共鳴箱前口蒙以蟒皮作為振動面，后端敞口．在共鳴箱頂面中心點(diǎn)處挖孔將音叉的木制基座插入并固定，在共鳴箱頂面和底面上分別挖出兩個面積不相同的方形孔用于安裝弦桿，共鳴箱底座為1 cm×9.4 cm×19 cm長方形紅木板， 底座前端開有一條琴弦固定槽和系琴弦孔，孔內(nèi)裝有一顆弦的固定螺釘，弦桿選一根2 cm×2 cm×70 cm的紅木條，插入共鳴箱的琴桿部分處理成上粗下細(xì)，稍呈方錐形，末端方形榫頭有防止琴桿轉(zhuǎn)動的作用，在弦桿上端開圓臺形軸孔，用來安裝琴軸，紅木琴軸的形狀是一端粗一端細(xì)，呈一定的錐度，琴軸長16 cm，粗端直徑2 cm，細(xì)端直徑1 cm，手執(zhí)部分長度11 cm，并留一定的花紋，使琴軸細(xì)端漏出琴桿長度為5 cm，在琴軸細(xì)端鉆出直徑為1.5 mm的圓孔，用來系琴弦， 將共鳴箱底座安裝在共鳴箱底部，用固定螺絲擰緊，然后將琴弦的固定環(huán)掛在系弦孔的螺釘上，再把弦的另一端穿過琴軸的穿弦孔，琴碼裝入弦與蟒皮之間，轉(zhuǎn)動琴軸就可以調(diào)整弦的松緊度，最后將音叉插入共鳴箱頂面的音叉基座內(nèi)，電子校音器夾在弦桿上，如圖2所示．

2實(shí)驗(yàn)原理

將440 Hz的音叉插入共鳴箱頂面的音叉插座，手持琴弓運(yùn)弓用其弓毛摩擦琴碼附近的琴弦使其產(chǎn)生振動，緊張的弦通過琴碼將振動傳遞給蟒皮(共鳴板)使其振動，通過共鳴箱的放大作用我們將聽到弦振動而發(fā)出的聲音．通過旋動琴軸調(diào)整弦的松緊度來定弦的音高，給弦定音時通常配合使用電子校音器來完成，將電子校音器的夾子夾在共鳴箱弦桿上，調(diào)整顯示屏的角度以利于觀察，打開電子校音器的電源開關(guān)，將校音項(xiàng)目選12平均律的擋，旋動琴軸改變弦的松緊程度使空弦發(fā)出的音調(diào)整到A(標(biāo)準(zhǔn)音A頻率為440 Hz)，如果音偏低或音偏高時校音器顯示屏為橙色背景，音準(zhǔn)時校音器顯示屏為綠色背景．實(shí)驗(yàn)時用手旋動琴軸調(diào)整空弦的松緊度使校音器顯示屏正好呈現(xiàn)A字符綠色背景時，此時觀察到琴弦振動所發(fā)出的聲音明顯增強(qiáng)，而且將琴弓離開弦之后共鳴箱還能持續(xù)1 mim左右的很強(qiáng)的鳴響，實(shí)驗(yàn)表明弦和音叉發(fā)生了共振現(xiàn)象．如果將440 Hz音叉更換為523.2 Hz的音叉，將琴弦的振動頻率調(diào)整440 Hz不變(即A音)，當(dāng)突然停止運(yùn)弓時卻聽不到共鳴箱的鳴響現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)表明音叉和弦沒有發(fā)生共振現(xiàn)象，因此只有當(dāng)弦的振動頻率與音叉的頻率相同時才會發(fā)生共振現(xiàn)象．

3演示步驟

(1)利用電子校音器將共振演示裝置弦(空弦)的振動頻率調(diào)整到440.0Hz,此時電子定音器的液晶顯示器顯示的字母為A并出現(xiàn)綠色背景,

(2)突然停止運(yùn)弓時觀察插有440.0Hz音叉共鳴箱的動靜．

(3)將440.0Hz音叉更換為523.2Hz的音叉，同樣持琴弓摩擦弦使其發(fā)聲，使弦(空弦)的振動頻率調(diào)整到440.0Hz,當(dāng)突然停止運(yùn)弓時再觀察共鳴箱的動靜．

步驟(2)中插有440.0Hz音叉的共鳴箱有非常明顯的延時鳴響現(xiàn)象，鳴響時間可達(dá)1min，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象十分突出，實(shí)驗(yàn)表明440.0Hz音叉與弦產(chǎn)生了共振現(xiàn)象．而步驟(3)插有523.2Hz音叉的共鳴箱沒有發(fā)生延時鳴響現(xiàn)象，表明5.232Hz的音叉和弦沒發(fā)生共振現(xiàn)象，因此只有當(dāng)音叉的固有頻率與弦的振動頻率相同時才會發(fā)生共振現(xiàn)象．

此實(shí)驗(yàn)取材容易、操作簡單、生動有趣、效果明顯．對于拓展學(xué)生共振方面知識很有幫助．

(收稿日期：2015-10-09)