國立台中教育大學 NTCU

科學教育與應用學系

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聲音動力瓶

               振聲音可以推動瓶子,您相信嗎?
器材:寶特瓶、喇叭、細木棍、縫衣線
操作步驟與現象

聲音是空氣振動的現象,本實驗能夠將聲音當成動力來源,推動瓶子運動喔!操作過程如下:

1.以「頻率測量」為關鍵字搜尋並下載APP免費軟體到手機,以用來測量聲音的頻率。

2.取空的寶特瓶,對著瓶口吹氣,可以吹出固定頻率的聲音。用下載的軟體測量聲音的頻率。以圖一為例,測得頻率為187Hz,這是瓶子的自然頻率(natural frequency)。

3.將完全相同的二個寶特瓶,以熱熔膠固定在細木棍兩端,再用縫衣線懸吊著,如圖二。保持平衡後,將二個喇叭放置在寶特瓶的下方。請注意:二個寶特瓶要保持水平與平衡,不可以傾斜。

4.喇叭連接電腦的聲音輸出,設定發出187Hz的聲音。發出特定頻率的應用軟體可用「頻率產生器」搜尋,有不少的免費軟體可以下載與安裝。

當喇叭發出和瓶子的自然頻率一樣的聲音之後,瓶子開始運動囉!如圖三,瓶口有如引擎的噴氣口,會推動瓶子一直旋轉。

以煙霧機將瓶子灌滿煙霧,觀察瓶口的氣流,可以發現瓶口會噴出煙霧,如圖四。由圖四可以看出噴出的煙霧不是連續的,而是一陣一陣的氣流,有點類似煙圈的形狀。

  

實驗影片觀賞 (24.9M,請打開喇叭) 

原理

對著空瓶的瓶口吹氣,能夠使瓶內的空氣產生振動而發出聲音。每個瓶子吹出的聲音都有固定的頻率,稱為自然頻率(natural frequency)。此頻率的高低和瓶子的瓶口面積、瓶頸長度以及瓶子體積都有關係,其關係式如圖五所示。由圖五的公式可知,瓶口的面積越大,頻率會越高;而瓶身的體積越大或是瓶頸越長,頻率就會越低。

當我們在瓶子旁邊發出和自然頻率一樣的聲音時,瓶子會隨之「共振(resonance)」。較著名的研究是1980年代德國的物理學家亥姆霍玆(Helmholtz)所設計的共振瓶,後來相關的現象就稱為「亥姆霍兹共振(Helmholtz resonance)」。例如一個中空的海螺,也是一種亥姆霍茲共振器,只要貼在耳朵附近,就能聽到「海的聲音」。

本實驗的瓶子會運動,也是由於亥姆霍兹共振。當喇叭發生特定頻率的聲音之後,會引起寶特瓶瓶內的空氣產生共振。當瓶子內的空氣開始振動,空氣會反覆的壓縮與舒張。在壓縮時,如圖六左,瓶口會由周圍吸入空氣。而舒張時,如圖六右,噴出的氣流較為集中,瓶口因為這股噴射氣流,藉由反作用力推動瓶子前進。

 

叮嚀的話

1.不同大小寶特瓶的自然頻率並不一樣,以不同的瓶子實驗時,不能使用本實驗的頻率187Hz,實驗前必須先自行測量。

2.由於藉由共振形成的作用力非常微小,因此建議不要使用太大的寶特瓶。而實驗時,喇叭的音量(分貝)要夠大,運動效果才會明顯。

3.實驗進行多次之後,懸吊的細線會因為扭轉多次,而產生迴轉的扭力。因此每次實驗後,要將細線往回旋轉恢復原狀,避免細線有扭轉的現象。

4.在教學上,本實驗不適合全班分組實驗,因為器材的數量問題(例如喇叭)。而且各組的聲音會互相干擾,因此比較適合以教師演示的方式進行。建議可準備不同大小的瓶子,演示特定頻率的聲音,只能推動其中一組的瓶子。變換頻率之後,推動的則是另一組瓶子。

參考資料

1.許婷 (2010)。腔體共振之探討。中華民國第50屆中小學科學展覽會,高中組物理科。

2.李昀芸、黃若菱、蔡佩芸 (2015)。氣韻”聲”動-亥姆赫茲共振的探討與應用。中華民國第55屆中小學科學展覽會,國中組物理科。

3.謝沂臻、黃致堯、陳啟維、吳鴻銘、徐子軒(2017)。亥姆霍茲旋轉木馬的秘密。中華民國第57屆中小學科學展覽會,國小組物理科。

4. Moving things with sound, Helmholtz resonance.

5. Weather Acoustics, Spatial experiments.

7. YouTube 影片:

(1) https://www.youtube.com/watch?v=SemQS4RLeFU

(2) https://www.youtube.com/watch?v=je7eLZS6GG0

(3) https://www.youtube.com/watch?time_continue=37&v=L5fVFA2sWt4