水瓶发声问题的探究

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　　一、提出问题
        　　在人教版物理教材《声现象》一章中，有一个“水瓶琴”的动手动脑的活动，其活动要探究的两个主要问题是：“声是如何产生的”及“决定音调高低的因素是什么”，在处理这个习题时，我没有告诉学生答案，而是拿出实验器材，引导学生探究以下几个问题：
        　　1.敲瓶发声主要是什么物体震动产生的?
        　　2.敲瓶发声的音调跟瓶内水的多少是什么关系?
        　　3.随着瓶内水的增多，敲瓶发声的音调和吹瓶发声的音调变化又有何不同呢?
        　　二、猜想
        　　我将问题一一写在黑板上，引导学生对问题的答案进行猜想：
        　　1.瓶子发声主要是什么物体震动产生的?学生提出的猜想有：A.瓶子震动;B.瓶内水震动;C.瓶内空气柱震动;D.瓶子、水、空气柱共同震动。
        　　2.瓶子发声的音调跟瓶内水的多少是什么关系?学生提出猜想是：A.水越多，瓶子发出的声音音调超高;B.水越多，瓶子发出的声音音调越低;B.跟水的多少无关。
        　　3.随着缩口瓶内水的增多，敲瓶发声的音调和吹瓶发声的音调变化又有何不同呢?大多数学生感到茫然，认为应该是一样的。
        　　三、实验
        　　问题有了，猜想也有了，答案到底是什么呢?
        　　1.瓶子发声主要是什么物体震动产生的?是瓶子?是瓶内水?是瓶内空气柱?我们的手头有没有仪器可以用来辨别呢?没有!能用我们的眼睛看出来吗?能用我们的耳朵听出来吗?不能啊!能不能用排除法逐个排除呢?
        　　学生甲：我们可以将瓶子装满水后用筷子敲击瓶子，若瓶子仍能发出声音，就可以将“瓶内空气柱震动发声”排除。
        　　聪明!瓶内没有了空气，瓶子发声怎么能说是空气震动产生的呢!
        　　学生乙：利用甲的方法，将瓶内水全部倒出后用筷子敲击瓶子，若瓶子仍能发出声音，就可以将“瓶内水震动发声”排除。
        　　以此类推，你的数学一定很棒!
        　　看来敲瓶发声，主要是瓶子的震动产生的。是不是瓶内空气柱和瓶内水就不随瓶子一起震动呢?当然不是!它们也会产生震动，但不是主要的发声体。
        　　2.瓶子发声的音调跟瓶内水的多少是什么关系?是“水越多，瓶子发出的声音音调超高”?还是“水越多，瓶子发出的声音音调越低”?还是“跟水的多少无关”?用什么办法可以得到答案呢?能用上面的方法吗?
        　　学生乙：我们可以用实验来验证!
        　　怎么个验证法?你说我做好吗?
        　　学生乙：先将8个空的啤酒瓶子放到桌子上一字摆开，再在瓶内注入不等量的水，从左到右，瓶内注入的水逐渐增多，最后用筷子从左到右依次敲击瓶口，同时用耳朵仔细听，就能辨别音调的高低。
        　　多么清晰的表白!我为我有这样的学生而深感自豪!我提高了声音的分贝，说：我从左到右连续敲瓶口三遍，请同学们仔细听。
        　　有了答案的请举手回答!话音刚落，每一个学生都举起了手。
        　　音乐委员：依次敲击瓶口，瓶内的水越多，音调越低。
        　　第二个问题已经解决，那么，第三个问题呢?
        　　3.随着瓶内水的增多，敲瓶发声的音调和吹瓶发声的音调变化又有何不同呢?
        　　学生丙：可以采用乙的方法，先将8个空的啤酒瓶子放到桌子上一字摆开，再在瓶内注入不等量的水，从左到右水越来越多，最后用嘴从左到右依次吹瓶口，同时用耳朵仔细听，就能辨别音调的高低。
        　　OK，请你上台演示好吗?
        　　吹瓶发声的音调跟水的多少是什么关系?班上的一位小歌手马上站了起来。
        　　小歌手：吹瓶发声时，瓶内水越多，音调超高!
        　　随着瓶内水的增多，敲瓶发声的音调变化和吹瓶发声的音调变化为什么相反呢?原来，敲瓶发声主要是瓶子本身震动产生的，音调的变化跟玻璃的长短、粗细有关;而吹瓶发声主要是瓶内空气柱震动产生的，音调的变化跟空气柱的长短有关。
        　　可见，探究性的习题，一定要动手探究，才能得到准确的答案。

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        　　四、结论
        　　1.敲瓶发声主要是瓶子本身震动产生的。
        　　2.敲瓶发声的音调随着瓶内水的增多而变低。
        　　3.随着瓶内水的增多，吹瓶发声的音调随着瓶内水的增多而变高。
        　　五、应用
        　　例1　某同学用5只粗细相同而高矮不同的瓶子做如下实验：如图1所示，用嘴分别对着5 只瓶口吹气，发现瓶子越高，发出的音调越低。由此现象，你认为：
        　　(1)嘴对5只瓶口吹气，5只小瓶均发出声音的原因是什么?
        　　(2)5只小瓶产生不同音调的原因是什么?
        　　
       

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        　　解析：首先明确本题中研究的对象是参与振动的瓶中的空气柱。而我们知道：一个物体质量越小、绷得越紧、长度越短、截面积越细，它的振动频率就越高，因而音调也就越高。按从左到右的顺序来看，参与振动的空气柱越来越短，因而音调越来越高。这种现象的一个应用就是吹笛子(如图2)。笛子能奏出不同音调的声音，就是由于吹气引起笛腔中空气柱振动。吹笛时，用手指堵住不同的笛孔来改变空气柱的长度，从而改变空气柱振动的快慢，进而改变音调的高低。
        　　答案：(1)由瓶内空气柱的振动产生的。(2)由于空气柱的长短不同，空气柱振动的频率不同。
        　　例2　如图3，在几个相同的瓶子中，装有深度不同的水，当用筷子从左向右依次敲击各个瓶口时，发出声音的_________是不同的，并且是逐渐变_____，如果用嘴向瓶口吹气，则逐渐变_____。
        　　
       

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        　　解析：这是“音乐水杯”实验。敲击时，研究的对象是参与振动的瓶子和水柱。从左到右看，水柱的长度逐渐变长，因而频率降低，音调降低。而吹气时，研究的对象变为液面上方的空气柱，从左到右看，空气柱的长度越来越短，因而音调越来越高。
        　　答案：音调 低 高
        　　例3　如图4，用水壶向暖水瓶里灌开水，凭声音就可以知道暖水瓶是否将要灌满了，你知道这是什么道理吗?
        　　
       

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        　　解析：这种现象我们叫做“暖水瓶唱歌”。我们关注的对象是瓶里的空气柱。“暖水瓶唱歌”的道理很简单：灌水的时候，瓶里的空气受到振动，发出声音，这部分空气就是声源。开始的时候里边的空气多，空气柱长，它振动起来比较慢，频率低，发出的音调也就低了，水越灌越多，空气越来越少，空气柱越来越短了，短空气柱和短琴弦一样，是急脾气，振动得快，频率高，音调也就变高了。

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        　　后记
        　　这本来是一个非常好的探究性习题：实验取材方便、操作简单、效果明显。由于教参上没有给出答案，许多老师在处理这个习题时，不是通过实验去得出正确的结论，而是想当然或人云亦云：左边水最少的瓶子发出的声音音调最低，右边水最多的瓶子发出的声音音调最高。这样，在学生的潜意识里，就将一个错误当成了真理。
        　　例：2005年广西柳州市、北海市中考物理试题的选择题第11题，原题如下：
        　　如图所示，8个相同的水瓶中灌入不同高度的水，敲击它们，可以发出“1、2、3、4、5、6、7、
       

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        ”的声音来。这些声音产生的原因和决定音调的因素分别是( )
         
        　　
       

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        　　A.水振动，水的高度
        　　B.水振动，瓶内空气柱的高度
        　　C.瓶内空气振动，水的高度
        　　D.瓶内空气振动，瓶内空气柱的高度
        　　答案：D。
        　　此题已经被国内多家出版社出版的教辅用书编写入内。似乎已经成为比较“经典”的一道好题而广为流传。
        　　为了进一步证实“敲击瓶口，瓶内的水越多，音调越低”。笔者利用几个500ml啤酒瓶来做“测量敲击水瓶时听到的声音的频率”的实验，测量仪器用的是虚拟示波器软件eshow，用电脑的耳麦收集声波加以处理，实验结果如下：
        　　水量不装水装约1/4的水装约1/2的水装约3/4的水装满水
        　　频率3219Hz3122Hz2540Hz2164Hz1991Hz
        　　以下是从电脑屏幕上的截图：
        　　图一：不装水时瓶子发声的波形图
        　　
       

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        　　图二：装约1/4时瓶子发声的波形图
        　　
       

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        　　图三：装约1/2时瓶子发声的波形图
        　　
       

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        　　图四：装约3/4时瓶子发声的波形图
        　　
       

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        　　图五：装满水时瓶子发声的波形图
        　　
       

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        　　实验结果充分说明，同样的瓶子，装水越多，振动频率越低，发声的音调也就越低。
        　　笔者用上述方法处理这道习题，是基于“教材只是师生对话的一个话题”的教学思想，这种处理就是对课程内容的最好开发，课堂教学过程因此成了课程开发与创生的过程。通过对课程的开发和创生，让学生亲自去感受、亲自去体验，亲自去解读;通过对课程的开发和创生，充分激发学生的兴趣和内动力，弘扬学生的主体性，习题课不再枯燥乏味，而变得生动有趣;通过对课程的开发和创生，让学生深刻领会知识积累的科学价值，帮助学生树立正确的科学观、价值观，全面落实课程的三维目标。显然，在这样的开发和创生中，教师不再只是课程的传递者和执行者，更是课程的开发者、创生者。
        　　每—条通向真理的道路都充满着荆棘;每一次科学的伟大发现，也许就是从最平凡的事实开始!在科学探索的道路上，当你发现问题的时候，当你有一种新的猜测的时候，要得到答案，最好的办法就是实践。只有实事求是、坚持实践，才能发现真理。