國立台中教育大學 NTCU

科學教育與應用學系

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原住民響笛

               小小的竹片如何發出響亮的聲音呢?
器材:竹片或冰棒棍、細綿線或縫衣線
操作步驟與現象

   竹製響片(Euvuvu)是鄒族的傳統童玩之一(劉淑惠,2006),製作相當簡易,以竹片綁上細線即可,用力旋轉會發出「忽忽」的聲響,愈用力旋轉,聲音愈大。可當為傳遞信號、田間趕鳥用。製作方法如下:

1.取一冰棒棍,在尾端中央以圖釘鑽一小洞,再以縫衣線穿過小洞綁好,縫衣線並保留約50公分長,如圖一。

2.玩法是:手拿縫衣線一端,快速甩動冰棒棍使之旋轉,就可聽到冰棒棍發出的聲響了。

操作時請留意觀察冰棒棍的旋轉以及發出的聲響,因為旋轉冰棒棍時,並非發出持續性的聲響,而是週期性的變化,同時冰棒棍的「旋轉面」也一直在改變喔!根據廖彥婷、葉孟鑫、林啟維、方柏仁(2006)的研究,繩子的粗細影響不大,但是轉速越快、繩長越長時,響度越大音調也越高。

實驗影片觀賞 (6.0M,請打開喇叭) 

原理

響笛的運作現象包含相當豐富的物理原理(參考自廖彥婷、葉孟鑫、林啟維、方柏仁,2006)。

(1)首先;響笛在旋轉時,其「旋轉平面」會自發的週期性改變。如圖三所示,旋轉平面在水平面的上方、水平、下方交替的變化(藍色箭頭)。而旋轉平面的改變伴隨著聲響的變化,在水平面旋轉時,沒有聲響;在水平面的上方或下方旋轉時,則會發出聲響。

(2)響笛除了「旋轉」,也會「自轉(圖三綠色小箭頭)」,這是響笛之所以發出聲音的主要原因,因為響笛自轉時會拍打空氣。

(3)響笛自轉的變化主要在於繩子的扭力,當響片自轉時,由於不斷的扭轉繩子,使繩子變形而產生扭力。因此繩子的扭力變大時,響片的自轉變慢,回到水平面旋轉。隨後響片改變自轉方向且速率逐漸加快,旋轉面變化到水平面之上(或下)。

(4)響笛在水平面上旋轉時,並沒有自轉(所以沒有聲音)。在水平面的上方、下方旋轉時,響笛才有自轉(而且自轉方向相反),因此週期性的產生聲音。

最後,響笛自轉時拍打空氣會產生聲音的原因,可能是因為形成渦流(vortex)造成空氣的振動(假想圖如圖四)。

叮嚀的話

1.一開始旋轉冰棒棍時,有時會沒有聲音,這是因為響笛為水平的旋轉,只要持續旋轉,冰棒棍自然會因為繩子的扭力影響,而開始在水平面的上面或下面旋轉,就會產生聲音了

2.在教學上建議可以討論或探討以下問題:(1)指導學生仔細觀察冰棒棍的旋轉平面以及發出的聲響的關係,彼此間是否具有關連性?(2)試驗不同旋轉速度,以及不同形狀的冰棒棍(例如裁成鋸齒狀、尖頭、剪短等等),發出聲響的差異性如何?

參考資料

1. 田哲益探索文化研究室《台灣原住民研究》:鄒族傳統娛樂與童玩

2. 劉淑惠 ; 謝迺岳 ; 廖彥婷 ; 凃博維(2007)。原住民器具之科學探究研究:以鄒族之風笛為例。物理教育學刊,8(1),33-40。http://phys5.ncue.edu.tw/physedu/article/8-1/3.pdf

3. 劉淑惠(2006)。鄒族的鄉土科學教材調查研究。教育部95年度中小學科學教育計畫專案成果報告(計畫編號46)。

4. 廖彥婷、葉孟鑫、林啟維、方柏仁(2006)。鄒之風聲-風笛。中華民國第四十六屆中小學科學展覽會:國中組 理化科。http://science.ntsec.edu.tw/FileAtt.ashx?id=1521