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雷射聲波杯
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波動與聲音(第三冊第三章第二節)
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聲波的傳播
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45分鐘
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科學學習中心
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一、 學生能透過雷射聲波杯的操作,觀察到聲音會使薄膜產生振動。
二、 學生能透過雷射聲波杯振動所投射出來的線條圖形,了解聲音越大,振幅越大,振動的效果越好。
三、 學生能從操作觀察中了解,音調高低不同的聲音會使薄膜振動的狀況不同。
四、 學生能從操作觀察中了解,相同頻率不同音色的聲音會使薄膜振動的狀況不同。
五、 學生能操作音頻產生器APP,產生不同的頻率使薄膜振動,造成不同的雷射光投射圖形。 -
材料:塑膠瓦楞板x2(25cm x10cm)、360ml塑膠水晶杯、紅光雷射筆、可退式紮線帶、10吋圓形氣球、軟鏡、曬衣夾、橡皮筋
工具:雙面膠、泡棉膠、美工刀、剪刀、喇叭、奇異筆
- 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) 詢問學生物體若是要發出聲音,需要有什麼樣的條件呢?
(2) 詢問學生是否有看過敲擊大鼓,是否發現大鼓的鼓面在敲擊的時候,會有什麼現象?你能設計一個實驗,明確地證明鼓面有振動?
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。(須注意雷射光投射與反射路徑須淨空,避免射到附近人員眼睛和易燃物)
2. 教學提示:
(1) 請學生對著製作好的雷射聲波杯杯底發出聲音,看看哪位同學發出聲音時,雷射光投射圖形(光點軌跡)的效果最清楚明確?討論這位同學的聲音有什麼特色?
(2) 使用藍芽喇叭連接手機播放歌曲,喇叭對著水晶杯底,測試看看不同類型的歌曲所造成的雷射光投射圖形效果,討論其差異與原因。
(3) 利用手機APP撥放出不同頻率的聲音,喇叭靠近杯底,觀察不同頻率聲音所造成的雷射光投射圖形變化。
(4) 選定一種雷射光圖形效果明確的聲音頻率,調整聲音的大小聲,觀察雷射光圖形有何變化?
3. 延伸探究:請先預測結果後,再進行實驗驗證。
(1) 請同學發出穩定的長音,並用手機APP測試和紀錄聲音的頻率,觀察不同頻率的長音所造成雷射光投射圖形是否有差異?
(2) 請多位同學發出特定音高的聲音(特定頻率),觀察雷射光投射圖形是否有差異?
(3) 利用手機APP播放與同學發出的聲音頻率相同的聲音,看看雷射光投射圖形是否有差異?
(4) 改變氣球膜的鬆緊度,將氣球膜調鬆或是調緊,並再測試看看,改變鬆緊後的氣球膜,振動效果(雷射光投射圖形效果)是否有改變?
(5) 改變氣球膜的材質,將氣球膜改成鋁箔紙、保鮮膜、塑膠袋、紙、保麗龍板…等等進行製作,再比較各種材質的振動效果如何?(透光材質如塑膠袋和保鮮膜,須注意避免雷射光投射至操作者眼睛)
(6) 運用不同大小的水晶杯或是不同材質的容器取代原水晶杯進行實驗,觀察會有甚麼不同的效果?
(7) 將氣球膜上的軟鏡直接貼在喇叭的紙盆上,比較看看,貼在喇叭紙盆的哪個位置,雷射光投射圖形的效果最好?
(8) 猜歌大賽,請同學對著製作好的雷射聲波杯杯底唱出耳熟能詳的簡單歌曲,拍攝雷射光投射的圖案影片後,以無聲的方式播放給同學看,試試能否在三個歌名中猜出正確歌曲。 -
5分鐘三、原理說明
1.當聲音傳到氣球膜時會引起氣球膜振動,讓貼在膜上的小反射鏡隨之振動。振動的方式包括二部分:
(1)沿著鏡面法線方向前後振動。
(2)鏡面角度改變,法線方向也改變的振動。
第二種振動方式能使雷射光反射的角度變大,使之反射後投射在屏幕(牆面或天花板)上的光點產生更大的位移,所以會呈現大的線條變化與圖案。
2.不同的頻率使氣球膜產生的振動狀態不同,所以雷射光反射後投射出來的圖案(軌跡)就不同。
3.若音量增大,造成氣球膜振動的振幅較大,所以鏡面角度改變也變大,雷射光反射後投射的光點位移也會加大,因此觀察到的圖案(軌跡)也會變大。
4.氣球膜上的振動為動態變化,雷射光反射後投射到屏幕的光點應形成移動的軌跡,但由於視覺暫留的關係,所以觀察者看到的是完整的圖案。
5.由於是在二維的氣球膜上產生的振動,造成的圖案也會是二維曲線,而不是一維線段。而且由於振動在二維上的頻率(或週期)雖然可能不同,但是會成為簡單整數比。因此,時間每經過這二種不同週期的最小公倍數,光點就會移動到原來的位置,而其軌跡就成為一條封閉的曲線。若是在二維上的振動不止二個頻率,這些頻率仍然是成簡單整數比,週期的最小公倍數會比較大,結果就是光點形成的圖案會比較複雜,但仍然是封閉曲線。 -
10分鐘四、問題與討論
1.聲音的響度(大小聲)、音調(高低音)不同時,對於雷射光反射後形成的光點軌跡圖案,會有甚麼影響?
解答:越大聲代表能量大,薄膜的振動幅度就大,所以會讓光點的位移變大,形成的圖形也會比較大。音調不同代表聲音的頻率不同,在彈性薄膜上形成的波動方式也不同,所以形成的圖案(軌跡)也會有所不同。
2.聲音是縱波,直觀上對氣球膜造成的影響應是前後振動,為什麼會造成反射的雷射光有前後左右不同方向的振動?
解答:穩定的聲音頻率傳到平面彈性薄膜上,產生入射波與反射波的交互作用,形成二維的複雜振動圖形,有振動明顯的波腹產生,帶動鏡面上下與角度的改變,如原理的圖形所示。
3.改變教具到投射牆面的距離,若是反射光點投射到更遠的牆面,是否會影響反射光點的振動效果?
解答:距離牆面越遠,增加反射後的距離,就有等比例放大光點的位移距離的效果。但是注意如果距離太遠,光點的亮度會降低影響觀察。
4.為什麼所看到的雷射光投射圖形是穩定完整的圖形而不是快速移動的光點呢?
解答:因為光點的移動速度很快,是視覺暫留的結果。
5.改用更大或更小的水晶杯,是否會影響振動的效果?
解答:水晶杯是提供一個音箱,有放大波動的效果,若是換成更大的容器,也就會有更大的音箱,振動的效果會比較好,雷射光投射圖形也可能變得較大。但是在使用較大的水晶杯時,也要使用較大的彈性薄膜,使薄膜張力保持相近。若使用相同大小的薄膜包覆較大的水晶杯,薄膜張力較緊繃,這個因素使反射光法線振動角度減小,二個因素綜合的結果難以預測,甚至也有可能影響圖形的形狀。 -
參考資料http://scigame.ntcu.edu.tw/voice/voice-014.html