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液體傳聲-水中的聲音
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翰林四上第四章:聲光世界真有趣 康軒四上第三章:有趣的聲光現象 南一五下第四章:聲音與樂器
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翰林:聲音的產生與傳播 康軒:聲音如何產生和傳播 南一:認識聲音三要素
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40分鐘
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科學學習中心
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一、 理解聲音需透過介質傳播,氣體、固體、液體皆可作為傳聲介質。
二、 透過實驗察覺聲音在不同介面(如水與空氣、水與桶壁)傳播時的大小變化。
三、 理解聲音遇到介面時會產生反射、透射等現象,影響聽到的聲音強度。 -
聽診器製作組:膜片、密封圈、耳塞、耳環管、U型管、Y型連接頭、上下導音管。
警報器實驗組:警報器、夾鏈袋(至少3層)、配重小物(如螺帽)、束提圈。
工具:水桶、水 。
- 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) 分享游泳經驗,在水中時能聽到岸上朋友的喊叫聲嗎?
(2) 潛水員在水中可以進行溝通嗎?
https://www.facebook.com/watch/?v=1647608235650863
2. 舊課程回顧:
(1) 聲音的產生需要物體震動。
(2) 有震動傳至耳膜時讓我們能聽見聲音。 -
20分鐘二、 操作與觀察
1. 依據操作步驟組裝聽診器並進行警報器防水包裝。
2. 實驗項目。
(1) 實驗一:跨越介面(空氣vs.水)
啟動警報器,先在空氣中聽。接著緩慢放入水中聽(不觸碰底部),學生與水盆距離維持固定。
(2) 實驗二:碰壁與不碰壁
警報器沉入水中後,先「懸空」聽;再將警報器「貼緊」水盆底或水盆壁聽。
(3) 實驗三:聽診器的使用(距離與方向)
將聽診頭伸入水中(膜片朝向警報器)
改變距離:由遠到近
改變角度:聽診頭(膜片)正對警報器和側對(轉成90度)警報器。
3. 延伸探究:若更換不同材質的水桶(如金屬桶、塑膠桶)進行實驗,聲音的大小會有變化嗎? -
5分鐘三、 原理說明:
1. 聲音的本質:波動與能量
聲音是一種波動,需要介質才能傳遞,是一種力學波(機械波)。在三度空間均勻介質中,能量在傳遞時若沒有方向性或沒有損失,會遵守能量守恆定律。
2. 傳聲介質:固體、液體與氣體
聲音的傳播需要介質。分子靠得越近,傳遞振動的效率通常越高。聲音在固體中的傳播速度最快且能量損失最少,液體次之,氣體(空氣)最慢且容易散失。
3. 介面現象:反射與透射
聲音在傳遞時若遇到不同介質,在介面上會有部分能量反射,部分能量折射(透射)。例如當聲波從一種介質(水)進入另一種介質(空氣)時,在交界處(介面)會發生反射與透射,這與光的特性高度相似:
反射(Reflection):聲波撞擊到介面時,部分能量會像球撞到牆壁一樣彈回來。所以警報器在水中時,大部分聲音能量在水與空氣的交界面就被反射回水中,因此在盆外空氣中聽到的聲音會大幅減弱。
透射(Transmission):聲波撞擊到介面時,部分能量可以穿過介面進入另一種物質。所以警報器在水中時,雖然大部分被交界面反射回水中,但仍能在空氣中聽到微弱的水下警報聲,這就是透射過去的殘餘能量。
4. 聽診器的原理:聽診器的腔室前方的膜片能有效地接收聲音能量,膜的面積比腔室後方的管子大很多,讓聲音更加集中。後方的管子能反射聲波,將聲音限制在管子內傳遞,即使管子彎曲、經過多次反射,聲音能量傳到耳朵時損失不多。 -
10分鐘四、 問題與討論
1. 為什麼警報器放進水裡,聽到的聲音直接變小聲?
解1. 為什麼警報器放進水裡,聽到的聲音直接變小聲?
解答:因為聲音遇到「水與空氣」或「水與盆壁」交界面會發生反射,部分的波動又回到水中,透射進入盆壁的聲音也有部分傳遞給桌子,只有少部分透射到空氣。
2. 為什麼警報器碰觸盆壁(或盆底)時聲音變大,說明了什麼?
解答:說明固體(盆壁)也是傳聲介質,且傳導效果通常比空氣好。
3. 為什麼使用聽診器聽起來很清楚?
解答:聽診器的膜片可以直接接收水的振動,並透過封閉管路傳導,能減少能量的擴散衰減。
4. 為什麼聽診頭靠近警報器時,聲音最響亮?
解答:聲波在水中傳播時,能量會隨距離增而向四周擴散,造成衰減。
5. 生活中還有哪些水中傳聲的例子?
解答:鯨豚類在海中溝通、船隻聲納探測、潛水員能聽清楚船隻的引擎聲。
