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音波跳舞-水晶杯的膜法
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波動與聲音(第三冊第三章第二節)
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聲音的傳播
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45分鐘
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科學學習中心
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一、 藉由觀察保麗龍球的跳動,了解聲音越大聲,物體振動的幅度越大。
二、 透過觀察保麗龍球的跳動,了解越遠離聲源,物體振動的幅度會越小。
三、 運用音頻產生器產生不同的頻率,發現頻率不同,物體振動的方式會不同。
四、 能操作音頻產生器APP,找出能讓保麗龍球穩定跳出圖形的頻率。
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材料:360ml塑膠水晶杯、保鮮膜、保麗龍球
工具:雙面膠、透明膠帶、電子秤、喇叭、剪刀
- 時間 教學活動流程 教學資源
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5分鐘一、 生活連結與預測
1. 引起動機與生活連結:
(1) 詢問學生,要如何使物體發出聲音呢?例如:敲擊、碰撞、摩擦、撥動、爆炸…,這些動作都會使物體發出聲音嗎?
(2) 詢問學生,日常生活中,除了用耳朵聽之外,我們可以還有什麼方式可以觀察到聲音的存在?
2. 舊課程回顧:
(1) 學生在國小的課程已了解:物體振動會產生聲音,聲音可以透過固體、液體、氣體傳播。
(2) 學生在國小的課程已了解:聲音有大小、高低與音色等不同性質,生活中聲音有樂音與噪音之分。 -
25分鐘二、 操作與觀察
1. 依據操作步驟安裝實驗裝置後進行實驗。
2. 教學提示:
(1) 將做好的水晶杯放置在喇叭上方,播音後觀察水晶杯內的保麗龍球有什麼現象?
(2) 調整水晶杯與喇叭的距離,比較水晶杯離喇叭的距離遠近和保麗龍球振動有什麼關係?
(3) 調整喇叭的音量,比較不同的音量,保麗龍球振動的情形有什麼不同?
(4) 詢問學生,水晶杯為什麼不直接放在喇叭上面呢?
(5) 以湯杯架住水晶杯,喇叭放在湯杯內,加強水晶杯的穩定並控制和喇叭之間的距離。用手機音頻產生器APP調整不同頻率,觀察不同頻率時,保麗龍球的跳動方式和呈現出的圖形有何不同?
3. 延伸探究:請先預測結果後,再進行實驗驗證。
(1) 請同學將水晶杯拿高,以自己的聲音代替喇叭,對著水晶杯發出穩定的單音,觀察看看哪些聲音比較容易使保麗龍球產生振動。
(2) 請學生使用手機APP測量自己的發出的聲音頻率,調整音頻產生器產生一樣的頻率,經喇叭播放對照保麗龍球的振動,狀況是否一致?
(3) 觀察看看,較高的音調或是較低的音調,何者比較容易讓保麗龍球產生跳動?
(4) 調整保鮮膜的鬆緊度,觀察保麗龍球振動的情形是否有不同?
(5) 可將保鮮膜換成塑膠袋、氣球皮、鋁箔,比較不同的材質,相同頻率與響度下,保麗龍球的振動是否不同?
(6) 將保麗龍球改變成不同的材質(例如:沙子、綠豆、麵粉、食鹽…),觀察材質不同,相同頻率與響度下,振動的狀況是否有改變? -
5分鐘三、 原理說明
1. 聲音的產生是因為物體振動擾動了介質粒子,將能量以波動的方式往外傳播。
2. 當聲音傳到一個水平放置的彈性固體(如保鮮膜),保鮮膜會隨之振動,於是上面的小保麗龍球跟著跳動。
3. 聲音越大聲則保鮮膜的振動越大,保麗龍球會跳動得越明顯。
4. 平面產生振動時,由於平面邊緣有波的反射(類似一維繩波),因而產生駐波,形成不振動的「波節」與激烈振動的「波腹」。由於是二維的平面振動,振幅為0的波節位置連成線條,稱為波節線,其它振幅大的鄰近區域(波腹)的小保麗龍球在隨意彈跳碰撞的過程中會漸漸密集到波節線,形成特殊規律性的圖形,類似克拉尼圖形(Chladni Pattern)。
5. 改變聲音的頻率就能改變呈現的圖案。除此之外,改變彈性體的種類、大小、形狀及受到的張力等許多因素也都能形成不同的圖形。
6. 本教具所使用的薄膜(保鮮膜),其張力並不均勻,變因的控制不完全,因此保麗龍球的跳動雖能表現出薄膜振動的狀態,但會比均勻薄板形成的克拉尼圖形的形式更複雜,相對應的頻率也較雜亂(非僅特定基頻與整數倍頻)。
可參考以下網址文中,克拉尼板App的屏幕錄像0:34-0:55克拉尼平板動態模擬https://cn.comsol.com/blogs/how-do-chladni-plates-make-it-possible-to-visualize-sound/ -
10分鐘四、 問題與討論
1. 水晶杯為什麼不直接放在喇叭上?
解答:若是放在喇叭上,可能是喇叭的機械振動造成薄膜的振動,而非單純由喇叭發出的聲音直接造成的。
2. 如何使保麗龍球的振動明顯?
解答:加大喇叭音量或將薄膜靠近音源,都可以使振動變明顯。另外在特定頻率範圍內,固定音量的狀況下,頻率提高也會使振動明顯。由於喇叭本身的限制和薄膜的特性影響,在一定的頻率範圍才會有明顯的振動。頻率太低或是太高,保麗龍球都不容易振動。
3. 水晶杯直接置於湯杯上,可能會有什麼問題?
解答:湯杯杯緣與保鮮膜接觸,有可能會影響保鮮膜的振動狀況,影響到實驗的結果。
4. 是否每位同學發出的聲音,都能使水晶杯內的保麗龍球產生明顯的跳動呢?
解答:不一定,同學發出的聲音大小、穩定度與頻率,會影響薄膜的振動狀態,進而影響保麗龍球的跳動。
5. 如何能使保麗龍球跳動並維持穩定的圖形?
解答:在特定的頻率範圍內,調整出維持穩定的頻率和適當的音量,並注意薄膜表面的水平和穩定即可。 -
參考資料https://pansci.asia/archives/129543
http://scigame.ntcu.edu.tw/voice/voice-017.html