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   

聲音與水的共舞

聲音可以讓水往上爬,你相信嗎?

器材:喇叭、擴大機、水管、電腦
操作步驟與現象

本項操作必須先安裝好以下裝置。

1.電腦先安裝產生特定頻率聲音的軟體,讓電腦可以發出特定頻率的聲音,建議頻率範圍必須包含20Hz~100Hz範圍。可供下載軟體的網址: http://www.zeitnitz.de/Christian/scope_en (下載soundcard oscilloscope V1.32)

2.電腦安裝軟體之後,確定可發出輸入的頻率,再輸出到擴大機,並由擴大機連接到喇叭。

3.以塑膠水管連接水龍頭,並通過喇叭(如圖一)。注意:水管伸出喇叭約2公分即可,不可太長(越短越好,以不會濺濕喇叭為原則)

4.水管與喇叭的上方、下方接觸點,以手壓住,或用膠帶貼緊。

5.打開水龍頭,水量不可太大,讓水流緩慢流出來即可。

6.由電腦控制送出20Hz頻率的聲音,並以攝影機觀察,觀察水流有沒發生變化?如果沒有,將聲音調整為21Hz,再以攝影機觀察水流有沒發生變化?如此一直增加聲音頻率,可以發現在某個特定頻率,透過攝影機觀察到的水流會變成一段一段的(如圖二),而且還會如圖三,水流不是往下流,而是會往上跑喔!(如圖三)

實驗影片觀賞 (4.6M,請打開喇叭) 

原理

  本操作的原理與「聲音看得見」中延伸的科學遊戲(一)類似。喇叭發出的聲音,使水管產生振動,在特定頻率時能產生駐波,因而產生一段一段的水流。

  而由於水流流速頗快,必須使用每秒拍攝固定影格的攝影機觀察,此原理則與「魔幻轉輪」相同。亦即水流仍然是往下流,只是形成駐波的每一小段水流的速度,與攝影機的拍攝速度的落差,造成視覺上的幻覺(如同以攝影機拍攝螺旋槳時,有時會看到螺旋槳慢速的往反方向轉)。

叮嚀的話

  要達成以上所述的效果,在操作上請注意:

1.觀察時,必須使用攝影機觀察,以肉眼無法看到。而攝影機的拍攝速度會影響觀察效果,建議使用品質較好(畫質較好)的攝影機,例如手機的攝影品質就比較不佳。

2.水管與喇叭的接觸,也會影響效果。水管必須略為壓緊在喇叭上,以使振動能有效傳遞到水管上。因此在試驗時,也要改變一下壓緊的程度,觀察不同的壓緊程度的差別。

3.水管不能伸出喇叭太長,是因為會造成水管左右擺動,使水流紊亂,無法垂直流下來。

4.造成水往上流的聲音頻率,大約在23Hz~30Hz,與水管粗細有關係,請耐心調整與試驗。(以上圖片的實驗結果是使用26Hz的聲音)

5.在特定頻率時,也可能會造成水流凍結(不移動)的現象喔!(如達成此現象,可以只用肉眼看)。原因:每小段水流流下來的速度,剛好與攝影機拍攝的速度一樣。

6.使用擴大機是因為電腦輸出的聲音,響度(振幅)不夠大。但是也不是越大聲效果越好喔!太大聲容易使水管振動過大,水流反而不穩定。

參考資料

1. http://www.youtube.com/watch?v=mODqQvlrgIQ&feature=g-all-u&context=G2893b1cFAAAAAAAABAA

2. http://www.youtube.com/watch?v=8GkHePfcpbY&context=C40ee253ADvjVQa1PpcFPcnUpDiHo1h6TW6wYQ8_-x5nQPWexhDR0=