2013年2月17日

科學玩具-聲學-人體音波管(看見聲音第三章)


每每上到聲音的單元,就是刺激的開始,刺激感官的同時也挑戰人的極限。學生被我從教具箱裡面拿出二~三十種不同的教具加玩具給吸引著,時而發出前所未聞的聲音,時而爆出震耳欲聾的摩托車引擎聲,幾節課下來,沒有不對聲音三要素印象不深的。

這次所使用的是一種叫做音波管的教具,是參考泡泡龍老師的網站(動手玩實驗室)製作而得,而他也曾蒞臨蔽校擔任研習講座數次,在教具發展上有雄厚的專業實力。而我把它叫做人體音波管,其實就是高中、大學以上物理實驗所使用的肯特管(Kundt Tube)。
一邊把管子一側的蓋子打開,套上孔目較密的絹網
套好之後就搖晃一下管子,使裡面的小球均勻分布

這項仿照肯特管的實驗,主要是利用小顆粒保麗龍球在透明容器中產生的共振效果來觀察駐波的現象,需要注意的是聲源與透明管的密合度要夠,不然會產生意外的渦流,干擾觀察。
當空氣將振動傳進管中,質輕的小球便被托起,不同部位的小球起伏高度也不一
而有些地方的小球數少,也不太振動,這就是駐波上的節點(Node)所在

這種模擬音波管的實驗,是一種觀察波長、頻率與測量音速的好用工具,也適合學生自行操作。只是配合嘴形大小的管子不能太粗,要是尺寸太大,大概一節課只能盡全力「嘶吼」個兩、三次就不錯了。所以還是得拿出送禮自用兩相宜的海報管來製作,因為它不但比去水族箱買的管子透明,而且便宜許多。
另一方面就是小球的來源了,一般買的寶麗龍球最小直徑大約在2mm3mm之間,所以當管子尺寸縮小時,就塞不了太多顆,而且也沒有辦法表現波動的細部形狀,尤其是當我給班上同學每人一支珍奶吸管時,更需要直徑更小的球體,而且越輕越好。

此時,第二項法寶又出現了!乍看之下,它跟粒粒分明的小白球沒什麼兩樣,卻是直徑很小的保麗龍球,所以摩擦產生靜電的程度弱了很多,重點是它的最大直徑只有1mm不到,即使是珍奶吸管也可以容納數百顆小球進去(還塞不滿三分之一的長度),足以把波形表現得淋漓盡致。

不過這世界的物體運動都是相對的,端看運動座標系的定義。所以先前所介紹的科學玩具-聲學-聞嘰起舞的聲動杯科學玩具-聲學-雷射聲波筒或是這篇裡的人體音波管,都是把能量經由空氣傳進去,不過如果更換一下運動的角色呢?此時簧片就派上用場了。
先把管中的發聲裝置拿出來,解釋一下簧片的發聲原理
就如同吸管笛一樣,是靠兩片薄膜的快速振動來產生聲音

另外長管中如果塞的是簧片,加上配重之後就可以在管內移動
移動的時候就是利用能量轉換(重力位能換成動能),讓簧片穿過空氣而發聲

不過若是簧片胴體的直徑太小,就會在管內呈現幾近自由落體的態勢掉落
所以適當地利用膠帶加寬加粗,延長簧片胴體落下的時間,發出的聲音會長一些

想要快速使簧片振動,發出不同的聲音,就要借助外力了
不同力道、角度、頻率的搖法會使同一根管子發出不同的聲音

我把這種管子稱為魔音管,我手邊有一支珍藏已久的法寶,不但長度適中,而且效果奇佳(早知道當時就多買幾支),每次出動,必然轟動,遑論誰與爭鋒?日後有機會再跟大家分享。

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