焦作十一中探究小组巧用智能手机传感器和试管利用共鸣法测量声速

2019年1月30日，腊月二十五，寒假当中，焦作十一中马婧、鲁照禹、王琪三位同学组成探究小组，开展寒假科学探究活动，使用简单的实验器材和测量工具，在焦作十一中创客空间，运用共鸣法对声速进行了十分精确的测定。

一、原理分析

当声波从空气介质射向玻璃介质时，反射波在离开反射点时的振动方向相对于入射波到达入射点时的振动相反；或者说，反射波相对于入射波相位突变180°，这种现象叫做半波损失。

指导教师介绍共鸣原理

指导教师介绍共鸣原理

由于声波在试管底部发生半波损失，入射声波和反射声波在试管底部叠加为零，形成驻波的波节；而在试管的开口处，如果恰好是驻波的波腹，声波就会在试管口部振动加强，发出明亮的共鸣声。试管若要吹奏出明亮的共鸣音，试管的长度必然与声波波长对应如下关系，即

n取1,2,3,4……

n=1

n=2

n=3

n=4

由于波速等于波长与频率的乘积，由波速公式可得，在本次实验中，声速的表达式为

显然，只要测量出试管的长度和共鸣发声的频率，就可以测量出声音在空气中的传播速度。

二、实验准备

为了做好本次科学探究活动，他们提前准备了试管、刻度尺和智能手机，并在智能手机中安装了声音传感器FFT Spectrum Analyzer 软件。

三、实验测量

1.试管长度测量

测定试管长度

测定试管长度

实际测量发现，这支标称长度为20厘米的试管，其总长度为19.8厘米。

2.共鸣频率测定

将长试管的管口放置在嘴唇边，轻轻地向试管中吹气，直至试管发出明亮的共鸣音。然后用智能手机APP测量出声音的频率值，并及时截屏保存。

辅导教师示范操作

探究小组测量频率

探究小组测量频率

经过实验测定，这支试管吹奏发出的共鸣声音的频率分别为：

f1=419Hz

f2=1259Hz

f3=2099Hz

对于更高阶的共鸣音，由于共鸣音的强度太弱，智能手机就测不出来了。

四、数据处理

按照上述原理和方法，将阶数、频率值和波长值录入电子表格，并在电子表格内自动计算出三次音速测量值和平均值。

五、实验评估

考虑到本次测量是在一个大气压和10摄氏度的环境中进行的，而在此条件下声波在空气中的传播速度值为337m/s，则此次测量的相对误差为

σ=1.4%

此次测量，取材方便，手段普通，运算简单，误差很小，非常成功。

五、活动收获

探究活动结束后，小组成员各自畅谈了自己在本次探究活动中的收获与成长。

王琪谈感受

王琪说：一根试管，一部手机，就完成了对声速的精确测量，真的非常神奇；以前只是用手机打电话、发短信、上网、打游戏，从来没想到智能手机竟然还是一个神奇的工具箱，可以开展各种各样的探究活动；以后我将以智能手机为探究工具，积极探索科学的奥秘。

马婧谈感受

马婧说：通过此次探究活动，让我真正认识到，大自然比教材更加丰富多彩；以前声速在我的大脑中就是一个数字，今天这次探究活动，让我对声速有了更加深刻的认识，温度、湿度、气压都会对声速施加影响，声速不是一个定值，而处于动态变化之中。

六、活动小结

智能手机及其软件早已融入了我们的日常生活，很多原来需要精密仪器、昂贵设备、苛刻环境和复杂流程才能做的实验，现在利用一部智能手机就能够轻松完成。这一趋势值得所有科学探究爱好者关注，并在探究活动中认真地学习、研究和实践。

| 创客焦作 | 

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