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固體傳聲
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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、 能說出聲音需要透過介質傳播,且氣體、液體及固體皆可作為傳聲介質。
二、 能理解「音箱」的作用是透過增加物體的振動面積,進而帶動更多空氣一同振動來放大聲音。
三、 能動手操作並比較共振喇叭在不同材質(塑膠杯、紙箱、硬紙板、長條木棒)上的傳聲與擴音效果。
四、 透過動手操作,對生活中的科技產品(如骨傳導耳機、音響音箱)產生探索的興趣與好奇心。
五、 能說出傳統喇叭與自製共振喇叭運作時,是利用「電流磁效應(電磁鐵與強力磁鐵產生排斥或吸引)」將電磁訊號轉換為機械振動的原理。 -
3.5mm雙公頭單音線、#28漆包線、M6皿頭螺絲(長20mm)、M6螺帽、強力磁鐵(直徑1cm、高1cm)、泡棉膠、電烙鐵、焊錫、熱熔膠、砂紙、剪刀、剝線鉗、收放音機或手機(功率大有耳機孔)
- 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) 教師運用烏克麗麗或吉他彈奏,請學生聽聽聲音。接著提問:「如果我們把吉他後面的大空箱子(音箱)完全填滿或拆掉,聲音會變大還是變小?為什麼?」
(2) 播放「隔空震碎玻璃杯」或樂器共鳴的影片,引導學生思考物體振動與聲音大小的關係。https://www.youtube.com/watch?v=GtqsIYB_wi4
2. 舊課程回顧
(1) 聲音是怎麼產生的?(物體振動)
(2) 聲音是靠什麼傳到我們耳朵的?(通常是空氣)。其實液體(例如在水中游泳聽到拍水聲)、固體也可以傳聲。 -
20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. 實驗一:骨傳導
(1) 將自製共振喇叭接頭插入音源輸出孔(手機或收放音機),播放音樂並調大音量。
(2) 將共振喇叭懸空放在空氣中,學生會發現「幾乎聽不到什麼聲音」。
(3) 骨傳導操作:請學生將共振喇叭的強力磁鐵端,緊靠在頭部的各個骨頭凸起處(如下顎、耳後的顳骨、顱骨)。
(4) 提示學生用手指塞住另一側的耳朵,效果會更佳。
3. 實驗二:共振喇叭
(1) 先運用長條木棒、桌面、大玻璃窗、牆面等物件進行嘗試。
(2) 請學生將共振喇叭的磁鐵端「緊靠」在這些物品上,先聆聽空氣中的聲音變化。再將耳朵貼緊物品(與共振喇叭距離拉遠一些),聆聽直接由固體傳導來的聲音,比較前後效果差異。
(3) 也可以使用塑膠杯、紙箱、硬紙板等物件作為振動物件,聆聽效果。
(4) 實驗變因控制(高年級進階探究):在線圈中央插入M6皿頭螺絲(作為鐵芯),重複上述操作,聽聽看聲音大小是否有變化? -
5分鐘三、 原理說明:
三、 原理說明:
1. 固體作為傳聲介質,因為固體分子排列比氣體緊密,因此固體傳聲的效果比氣體更好。
2. 骨傳導:傳統聽到聲音是由聲波推動空氣,經外耳道傳入後引起鼓膜振動而傳聲至內耳的耳蝸。而「骨傳導」則是共振喇叭的機械振動直接透過顱骨、顳骨而傳遞到內耳的耳蝸,跳過外耳道至鼓膜的歷程,因此效果良好。
3. 音箱的作用:以吉他為例,吉他弦振動,讓音箱的面板與背板「受迫振動」,由於面板有較大的面積,就能推動附近更多的空氣分子振動,因此人耳所聽到的響度就會增加。
4. 電流磁效應與共振喇叭:音響(手機)從耳機孔傳出的音訊,其實是大小與方向不斷改變的「交流電流」。當這個電流流經漆包線圈時,線圈就會變成一個「磁力大小和磁極方向不斷變換的電磁鐵」。這個電磁鐵與用泡棉膠固定(保留移動的彈性)的強力磁鐵互相吸引與排斥,就會產生快速的往復運動,這就是「機械振動」。如果在線圈中央插入鐵芯(螺絲),會讓線圈的電磁鐵磁場增強,使得振動更強烈,這個振動的磁鐵緊壓物件(如紙杯),帶動物件振動後,便成為共振喇叭,能發出清楚的聲音。 -
10分鐘四、 問題與討論
1. 當共振喇叭懸空在空氣中時,我們幾乎聽不到聲音;但當它一貼在紙箱或塑膠杯上時,聲音就變大。為什麼音箱能把聲音放大?
解答:因為共振喇叭本身的面積太小,能推動的空氣非常有限。當它緊靠在紙箱或塑膠杯上時,會將振動傳導給它們,增加物體振動的面積,從而帶動更多的空氣一同振動,聲音就會大幅放大。
2. 操作骨傳導實驗時,為什麼把一側的耳朵用手指塞住,聽到的音樂聲反而會變得更清晰、更大聲?
解答:當我們用手指塞住耳朵時,阻隔了外界空氣傳來的環境噪音,使我們的大腦能更專注於接收從頭骨直接傳導到內耳耳蝸的聲音振動,因此感覺聲音變得更清晰響亮。
3. 如果我們在完全沒有空氣的「外太空」進行這個實驗,我們把共振喇叭懸空放著,以及貼在隊友的太空頭盔固體上,分別會聽到音樂嗎?為什麼?
解答:懸空放著聽不到聲音。因為外太空是真空狀態,沒有「空氣(氣體)」作為介質來傳播聲音。貼在頭盔固體上可以聽到聲音。因為喇叭的振動可以透過頭盔固體,再經由頭盔內的空氣傳到耳朵,也可以經過頭骨(固體)直接傳導到內耳,固體傳聲不需要依賴外在的空氣介質。
4. 古代偵察兵為什麼要「把耳朵貼在地面上」來監聽敵情?
解答:因為大地(固體)的分子排列比空氣(氣體)更緊密。聲音在固體中傳播的速度比在氣體中快,而且能量在固體中耗散得較慢、傳得更遠。因此,貼地聽大地的振動,可以比從空氣中更清晰地發現遠方敵軍騎兵或部隊步行的聲音。
5. 高年級進階思考:在線圈中央插入螺絲(鐵芯)之後,再次播放音樂,你發現聲音有什麼變化?這是什麼原因?
解答:聲音會變得更大聲、更清晰。因為在通電的漆包線圈中央插入鐵芯(螺絲),可以大幅增強電流產生的磁場(讓電磁鐵磁力變強),線圈與強力磁鐵之間的吸引和排斥力變得更大,使得振動更劇烈,因此放大了傳聲效果。
6. 如果我們把共振喇叭下方的「強力磁鐵」拿掉,只留下通電的漆包線圈緊靠在紙箱上,紙箱還會發出明顯的音樂聲嗎?為什麼?
解答:不會。喇叭產生振動,必須依靠「變動的電磁鐵(線圈)」與「固定磁場(強力磁鐵)」之間不斷產生的吸引力與排斥力。如果拿掉強力磁鐵,線圈周圍就沒有另一個磁場和它產生吸、斥的推拉作用,線圈就不會產生往復運動(機械振動),就無法帶動紙箱振動發聲了。 -
參考資料跟著鄭大師玩科學 https://masters.tw/147/%E5%85%B1%E9%B3%B4%E7%AE%B1%E6%98%AF%E8%97%89%E7%94%B1%E5%85%B1%E6%8C%AF%E4%BE%86%E5%A2%9E%E5%BC%B7%E8%81%B2%E9%9F%B3%E7%9A%84%E9%9F%BF%E5%BA%A6
