水瓶发声问题的再讨论
先来看一道中考试题:
这是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,"的声音来.这些声音产生的原因和决定音调的因素分别是( )
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.
而且,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.
该题源自人民教育出版社出版的《义务教育课程标准实验教科书八年级上册》第24页"动手动脑学物理"第4题(见附图):
的确,用相同的瓶子装有不同高度的水,敲击时会发出不同音调的声音,这样就做成了一件非常有意思的"水瓶琴",而且有民间艺人已经使用水瓶琴在包括中央电视台在内的许多媒体作过精彩的表演,其中,有敲击瓶子发声的,也有嘴吹瓶口发声的,都取得了很大的成功.也就是说,利用身边常见的瓶子比如啤酒瓶可以制成乐器发出美妙的声音已经是不争的事实.问题是,教材中出现的这幅插图以及下面的文字说明,是不是给人一种导向,也就是说"瓶子内装的水越多,敲击时发出的声音音调越高."呢
带着这个疑问,笔者利用几个500ml啤酒瓶做了实验测量了敲击水瓶时听到的声音的频率,实验器材简单易得,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
3219Hz
3122Hz
2540Hz
2164Hz
1991Hz
(附图一:不装水的瓶子发声的波形图)
(附图二:装约1/4的瓶子发声的波形图)
(附图三:装约1/2的瓶子发声的波形图)
(附图四:装约3/4的瓶子发声的波形图)
(附图五:装满水的瓶子发声的波形图)
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.
是不是敲击的部位不同引起的频率变化呢
笔者又分别对同一个瓶子的不同部位进行敲击,发现水面上下不同部位振动频率基本不变,只是在啤酒瓶的瓶颈处敲击时,振动频率显得较高,尽管如此,仍然符合"水位越高频率越低"的规律.
回到本文开头的那道题目,这些声音产生的原因和决定音调的因素分别是什么呢 其实敲击瓶子时,发生振动发出声音的当然是玻璃瓶子,那么水位的高低对振动频率的影响到底是什么呢 水柱的高度越高瓶子振动频率越低.当然在这里水柱本身的振动似乎可以忽略,那么更谈不上是什么空气柱振动了,如果是空气柱振动的话,结果应该是水位越高,空气柱越短,振动频率越高才是,而实验结果恰恰与之相反.那么结果不言自明,文首的题目本身的四个选项都有问题.不知道出这道题目的专家们当初有没有做一做实验来验证一下结果到底是什么,至少没有仔细推敲一下答案是否符合实际情况,这种做法事实上很不符合科学精神,甚至对于初中物理教学将会产生不少的负面影响.