國立台中教育大學 NTCU

科學教育與應用學系

科學遊戲實驗室   回首頁   

聲音看得見

聲音只能聽得到,怎樣"看見"聲音呢?

器材:紙筒、塑膠袋、雷射筆、橡皮筋膠帶保麗龍紙板
操作步驟與現象

(以下操作參考自「科學玩具柑仔店」)

  聲音只能聽得到,摸不到也看不到,如何看見聲音呢?以下介紹三種有趣的操作

  如圖一的裝置,利用雷射筆放出的光被反射在牆壁上,然後在紙筒後面發出聲音,就可以看到雷射筆反射的光點開始振動,光點的振動圖形隨著聲音的變化而變化(如圖二),相當多樣性而有趣!

實驗影片觀賞 (6.9M,請打開喇叭)

製作過程

1.取一紙筒(例如洋芋片的紙筒),將前後二端割掉,成為中空的紙筒。

2.將塑膠袋由袋口到底部切開,成為一片的塑膠紙片,以橡皮筋或膠帶套在紙筒開口前部。注意:必須儘量張開平整的套緊,避免塑膠袋鬆鬆的

3.取一小片鏡子(建議請玻璃店師傅切割),長寬尺寸不要超過一公分。然後以薄的雙面膠黏在已經套上塑膠袋的紙筒開口中央(請參考圖一)。

4.取一薄木板(厚紙板亦可),長寬建議為20x30公分(或20x40公分,配合紙筒大小)。將製作好的紙筒以橡皮筋套在木板的末端,再將雷射筆固定在紙筒的前端略微偏右側(偏左側亦可)。

5.調整上述步驟中雷射筆的高度與方向,以使雷射筆的光可以打到紙筒上的鏡子。高度可使用保麗龍(比較輕)墊高來調整,最後以膠帶固定雷射筆。

  製作完成之後,在紙筒的另一側發出聲音,觀察雷射筆的光點是不是會跟著振動呢?操作時建議不要以嘴巴發出聲音,而是用敲打(例如敲打紙盒)或是以樂器發出聲音。因為嘴巴發出聲音,會因為吹氣而製造空氣氣流,進而推動塑膠袋的振動,如此會造成是吹氣的氣流影響振動,而非單純聲音的空氣振動造成光點的振動。

叮嚀的話

  如果使用於教學,請注意避免直視雷射筆的光,以免眼睛受到傷害!而且建議雷射筆購買低功率的即可,高功率的雷射筆更具有傷害性。而紙筒的大小,使用越大的紙筒,效果(振動幅度)會越明顯。

  讓學生製作完成以及觀察之後,可以指導學生探討以下問題(每個問題提問後,儘量讓學生自行操作與觀察,再歸納出結果):

1.鏡子的大小是否會影響光點的振動?

答:會!鏡子越大,質量也越大,在相同的能量(聲音大小聲)的情形,越不容易振動,會造成光點的振動情形不明顯,因此鏡子不能太大。有些設計是以鋁箔紙取代鏡子,雖然更為簡便,但是鋁箔紙的反射效果不佳。

2.聲音的大小聲(響度)、高低音(音調)不同時,對於光點的振動情形,分別有何影響?

答:響度是聲音的「振幅」不同,越大聲振幅就越大。而音調是聲音的「頻率」不同,音越高振動頻率就越大。因此聲音越大聲會讓光點的振動幅度越大,而聲音越高讓光點的振動越快。為了要明顯看到光點的振動,建議製造大聲一點的聲音,比較有趣。另一方面,製造不同的高低音,讓學生觀察是否能察覺振動頻率是否有差別?

3.光點的振動幅度,除了大小聲之外,還有其它因素嗎?

答:有!雷射筆與鏡子的距離,還有與牆壁的距離都有關係。距離越遠,增加反射的距離,就有放大光點的振動幅度的效果。但是注意如果距離太遠,光點的亮度會降低喔!

延伸的科學遊戲(一)

器材:塑膠管保麗龍球一元硬幣大吸管

操作過程與現象

1.取一塑膠管(可在水族館購買,長約一公尺直徑約3公分),建議可鋸成二根使用(長度至少40公分以上)。

2.在塑膠管的一邊以膠帶將一元硬幣黏貼封緊(如圖三)。然後將小保麗龍球(直徑約0.2公分以下)倒入塑膠管中。最後將塑膠管的另一邊,以一小片沙網套住,再以橡皮筋綁緊(如圖四)。

3.操作方法為:雙手握住綁了沙網的一邊,對著塑膠管發出聲音(如圖)。

★注意:雙手與嘴巴必須密封,以使聲音可以完全進入塑膠管中。

  發出聲音後,塑膠管中的小保麗龍球就會隨著聲音開始振動(如圖六),成為一片一片的波浪狀,甚至還會前後移動喔!

 實驗影片--塑膠管 (3.1M,請打開喇叭)

  除了使用塑膠管,可以使用透明的大吸管來製作(如圖七)。大吸管的一端以西卡紙剪一小圓封住(用膠帶黏),另一端(嘴巴)以衛生紙包住即可(避免發出聲音時吸到保麗龍球)。雖然大吸管的效果,比口徑較大的塑膠管略差一些,但已經可明顯的看到保麗龍球的有趣振動。

  實驗影片--大吸管 (3.6M,請打開喇)

原理

  聲音是空氣的一種疏密波(縱波),在管子中振動時,會產生駐波(standing wave),並使得保麗龍球形成固定的波形,在波腹與波節之間振動。如下圖,音波管的管子一端為封閉,圖中管子長度是聲音波長的n/4倍(A~D的n分別為1、3、5、7…)。由於我們發出的聲音的波長,未必固定不變;加上嘴巴吹出氣流的擾動,使得保麗龍球的波形會有前後移動的現象

 

叮嚀的話

  保麗龍球的數量會影響效果的明顯程度,太多或太少都不適合。建議倒入直立的塑膠管時,保麗龍球累積的高度,達到管子約三分之一高度即可。裝好保麗龍球之後,再搖動管子讓保麗龍球平均分散在管子中。另一方面,以嘴巴發出聲音時,避免吐出太多氣,因為塑膠管管壁會因水氣凝結而起霧,保麗龍球也會被沾濕。

  進行教學時,可以指導學生探討以下問題與現象:

1.發出不同高低的聲音時,保麗龍球的振動情形有何差異?

2.製作不同長度的塑膠管,保麗龍球的振動情形有何差異?

3.討論保麗龍球振動的明顯程度(振動大小),與聲音的大小聲有關,還是與聲音的高低有關?

延伸的科學遊戲(二)

  第三種讓聲音看得見的操作,更為簡便,如下圖。

實驗影片觀賞 (2.7M,請打開喇叭)

  首先在小紙杯的側邊以美工刀畫十字形,往內壓並張開,當為聲音輸入的開口,並在紙杯底部的上面放一小段毛根(如下圖左,摺成圓弧狀)。然後只要對著開口發出聲音(如下圖右),就可以看到毛根快速的旋轉起來喔!

  毛根的旋轉方向,與毛根上的細毛方向有關,而由於聲音產生空氣振動,進而使紙杯的振動傳達到毛根,轉而讓毛根運動了(相似原理請點閱:「動力橡皮筋」)。另一方面,紙杯不能用大的紙杯,或是太硬的紙杯,因為紙質比較厚就不容易傳導振動,毛根的運動情形就不明顯了。

參考資料

1.科學玩具柑仔店:http://kingdarling.blogspot.tw/2013/02/blog-post_3661.html

2.科學玩具柑仔店:http://kingdarling.blogspot.tw/2013/02/blog-post_8684.html

3.YouTube影片:http://www.youtube.com/watch?v=JhCV52LnOcs&feature=player_embedde