第一章 聲現象
一、 課標分析
(一) 課標要求
【內容要求】
2. 3. 1 通過實驗, 認識聲的產生和傳播條件。
例 1 在鼓面上放碎紙屑, 敲擊鼓面, 觀察紙屑的運動; 敲擊音叉, 觀察與其接觸
的物體的運動。 了解實驗中將微小變化放大的方法。
例 2 將發(fā)聲器放入玻璃罩中, 逐漸抽出罩內空氣, 會聽到發(fā)聲器發(fā)出的聲音逐漸
變小, 分析導致該現象的原因。
2. 3. 2 了解聲音的特性。 了解現代技術中聲學知識的一些應用。 知道噪聲的危害
及控制方法。
例 3 了解超聲波在生產生活和科學研究等方面的應用, 如超聲雷達、 金屬探傷、
醫(yī)學檢查等。
例 4 舉例說明如何減弱生活環(huán)境中的噪聲, 具有保護自己、 關心他人的意識。
【學業(yè)要求】
(1) 了解聲; 能用聲知識解釋自然界的有關現象, 解決日常生活中的有關問題。
(2) 能運用一些規(guī)律分析簡單問題, 并獲得結論; 能在解釋自然現象和解決實際
問題時引用證據, 具有使用科學證據的意識。
(3) 能基于觀察和實驗, 提出與聲現象有關的科學探究問題, 并做出有依據的猜
想與假設; 能制訂初步的實驗方案; 能表述實驗過程和結果, 撰寫實驗報告。
(4) 知道物理學是對相關自然現象的描述與解釋, 物理學研究需要觀察、 實驗和
推理, 體會物理學對人類生活和社會發(fā)展的影響; 具有對聲知識的學習興趣和嚴謹認
真、 實事求是的科學態(tài)度; 關心我國古代和現代科技成就, 為中華民族的科技成就感
到自豪, 逐步養(yǎng)成實現中華民族偉大復興的責任感與使命感。
【教學提示】
1. 教學策略建議
在聲現象的教學中, 建議從學生的已有經驗和認知水平出發(fā), 設計多種學習活動,重視物理概念的建構過程, 促進學生對抽象概念的理解, 引導學生在問題解決中提升
能力, 發(fā)展核心素養(yǎng)。
(1) 聯系生產生活實際創(chuàng)設學習情境。 在對聲現象的學習中, 建議結合生活中的
實際情境, 進行相關內容的學習。
(2) 滲透科學研究方法, 培養(yǎng)學生的科學思維。 例如, 在探究聲音是如何產生的
教學中, 教師能通過教材 “想一想” 中的 “物體發(fā)聲與不發(fā)聲時有什么不同? 這些物
體發(fā)聲時有什么共同點?” 有意識地利用 “求異法 (找不同)” 和 “求同法 (歸納法)”
得出聲音是由物體振動產生的; 在探究真空能否傳聲時, 通過 “鐘罩實驗” 向外不停
抽氣, 聽到鈴聲逐漸變小, 利用 “共變法” 分析出鈴聲變小的原因是鐘罩內空氣變得
稀薄, 從而進一步推理得出: 如果抽成真空, 就應該一點聲音也聽不到, 這是在實驗
的基礎上進行推理得出的結論, 在物理學中叫 “理想實驗”; 在用鋼質刻度尺探究聲音
的音調與頻率的關系時, 用同樣大小的力去撥動伸出桌面不同長度的尺子時, 控制響
度相同, 得出聲源振動的頻率越高, 聲音的音調越高。
(3) 注重問題導向, 合理設計探究活動。 在探究聲音的產生和傳播條件學習活動
中, 注重發(fā)揮學生的積極性和主動性, 給學生留出恰當的時間和空間; 鼓勵學生發(fā)現
問題、 提出問題, 通過科學方法收集證據、 得出結論; 引導學生解釋得出結論的理由,
并對探究過程和結果進行評估、 反思與交流。
(4) 充分利用科學史料, 培養(yǎng)學生的科學態(tài)度與社會責任感。 建議將我國古代
的相關科技成就引入課堂, 如通過分析和討論回音壁、 三音石等古代聲學建筑, 培
養(yǎng)學生的愛國情懷, 提升學生的民族自豪感和實現中華民族偉大復興的使命感。 還
可通過項目式學習, 開展制作小樂器等項目活動, 培養(yǎng)學生的動手操作能力和創(chuàng)新
精神。
2. 情境素材建議
與聲相關的素材: 通過分析聲帶振動、 鼓面振動等現象歸納聲音產生的原因, 利
用 “土電話”、 真空罩等研究聲音的傳播條件, 利用吉他、 鋼琴等樂器分析聲音的
特性。
(二) 課標解讀
1. 物理觀念
物理觀念是指從物理學視角形成的關于物質、 運動和相互作用、 能量等內容的總
體認識, 是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉與升華, 是從物理學視角解釋自然現象
和解決實際問題的基礎。 物理觀念主要包括物質觀念、 運動和相互作用觀念、 能量觀
念等要素。 蘇科版物理 (以下簡稱 “教材”) 八年級上冊第一章 《聲現象》 涉及物質
觀、 運動和相互作用觀、 能量觀等。
(1) 物質觀
《聲現象》 首先介紹了聲音的產生, 通過探究歸納不同物體發(fā)聲的情況 (求同)、
對物體發(fā)聲與不發(fā)聲進行對比 (求異), 得出聲音是由物體振動產生的結論, 發(fā)聲的物體叫聲源, 氣體、 液體和固體都可以振動發(fā)聲。 “聲源” 是一個重要的概念, 因此在探
究物體振動發(fā)聲的過程中要深刻理解聲源的物質性; 在聲音的傳播教學中, 通過生活
經驗和課堂實驗發(fā)現, 聲音可以在氣體、 液體或固體中傳播, 能傳聲的物質叫介質。
這將為學生形成物質觀奠定基礎。
(2) 運動和相互作用觀
聲音以波的形式在介質中傳播, 且傳播的速度可能會不同。 聲源的振動是一種運
動, 這種運動有自己的特征, 比如振幅和頻率, 不同的聲音的波形一般也不同。
把兩個頻率相同的音叉的共鳴箱間隔一定距離, 敲擊一個音叉, 與另一個音叉接
觸的懸掛著的乒乓球會被彈開, 這就是一種 “共鳴” 現象, 屬于一種相互作用。
(3) 能量觀
通過觀察放在音響前面的蠟燭火焰跳動、 超聲波碎石、 聲音引起鼓膜振動等實例,
說明聲音具有能量。
2. 科學思維
科學思維是從物理學視角對客觀事物的本質屬性、 內在規(guī)律及相互關系的認識方
式, 是建構物理模型的抽象概括過程, 是分析綜合、 推理論證等方法在科學領域的具
體運用, 是基于事實證據和科學推理對不同信息、 觀點和結論進行質疑和批判, 予以
檢驗和修正, 進而提出創(chuàng)造性見解的過程。 科學思維主要包括模型建構、 科學推理、
科學論證、 質疑創(chuàng)新等要素。
(1) 模型建構
1) 顯示音叉的振動
在用音叉探究聲音是由物體的振動產生時, ①將發(fā)聲的音叉叉股輕輕插入盛滿水
的燒杯中, 會看到水花飛濺; ②敲擊音叉, 將細線懸掛的輕質小球與音叉接觸, 會看
到小球被彈開; ③敲擊音叉, 在音叉發(fā)聲的同時把音叉放在臉頰上或用手觸摸, 可感
受到音叉的振動。 前兩種方法是通過水花飛濺或小球被彈開這種視覺現象來說明音叉
正在振動, 第三種方法是通過觸覺來說明音叉發(fā)聲時叉股在振動。
2) 顯示鼓面的振動
在用鼓探究聲音的產生、 聲音的響度與振幅關系時, 可以在鼓面上撒一些小紙屑、
小泡沫粒等質量較小的物體, 會觀察到這些物體跳起來了, 說明了鼓面振動以及振幅
的大小。 這也是一種模型的建構。
3) 真空不能傳聲
在用鐘罩實驗探究真空能否傳聲時, 把發(fā)聲的鬧鈴放進玻璃罩內, 用抽氣機向外
抽氣, 可以聽到鈴聲逐漸變小。 這里需要建立一種模型———真空, 設想把玻璃罩中的
空氣全部抽出, 形成真空, 這樣就一點聲音也聽不到了。 在實驗的基礎上進行合理外
推, 可以得出: 真空不能傳聲。
(2) 科學推理
1) 推理得出聲音是由物體振動產生的
在第一章 《聲現象》 “想一想” 板塊中, 有這樣幾個問題: 在一張紙、 一根橡皮筋、 一個筆帽、 一杯水發(fā)聲的基礎上, 思考物體發(fā)聲時與不發(fā)聲時有什么不同? 物體
發(fā)聲時有什么共同特征? 這需要運用探究事物間因果關系時常用到的方法———穆勒五
法中的求異法和求同法。 運用求異法探究兩個事物之間是否有因果關系時, 要求不同
場景中只有一個要素不同, 如果這個要素存在時會出現現象, 沒有這個要素就不出現現
象, 那么這個現象的出現就很有可能與那個要素有關。 運用求同法尋找兩個事物之間是
否有因果關系時, 要求考察的幾個場景中只有一個共同的因素出現, 會產生相同的現象
(如發(fā)聲), 那么這個現象的出現很可能與這個唯一的因素 (如振動) 有因果關系。
2) 通過類比提出聲音是一種波的結論
類比推理得出的結論雖然具有或然性, 但是研究的現象越多, 得出結論的可靠程
度也就越高。
教材在介紹聲波之前, 先介紹了水波和搖動繩子時產生的 “繩波”, 并指出這兩種
波都是凹凸相間的波。 接著介紹聲音在空氣傳播的過程中, 會形成一種疏密相間的波,
即聲波, 并把聲波類比于疏密相間的彈簧波。
3) 探究響度與振幅、 音調與頻率的關系
在用音叉探究聲音的響度與振幅關系時, 用大小不同的力敲擊音叉, 讓發(fā)聲的音
叉慢慢接觸懸掛著的乒乓球, 會發(fā)現用力越大, 聲音的響度就越大, 乒乓球被彈開的
角度也就越大。 乒乓球被彈開的幅度隨之增大, 說明音叉振動的幅度也在增大。 這用
到了探究兩個事物之間因果關系的穆勒五法中的共變法。 使用共變法時, 要求在實驗
的過程中只改變一個物理量, 如果現象隨著這個唯一物理量的變化而變化, 那說明它
們之間有因果聯系。 因此, 我們可以得出結論: 聲源的振幅越大, 聲音的響度就越大。
同理, 在探究聲音的音調與聲源振動頻率關系時, 可以將一把鋼尺的一端緊壓在
桌面上, 讓另一端伸出桌面部分較長, 撥動尺子使之振動, 聽聲音的同時注意鋼尺振
動的快慢。 還可以縮短尺子伸出桌面的長度, 再次撥動鋼尺做幾次實驗。 比較、 分析
幾種不同情況下聲音的音調與鋼尺振動快慢之間的關系, 這個實驗用到的控制變量法
的背后邏輯因素就是共變法。
(3) 科學論證
如何才能看到聲音? 可以利用光現象來反映聲現象。 把兩只紙杯底部用細棉線連
起來, 做成 “土電話”, 先固定住一只紙杯, 在紙杯口蒙上一個膠膜, 在膜上貼上小平
面鏡, 拉緊棉線, 用激光照射, 然后對著另一只紙杯說話, 會看到激光被反射的光點
在晃動, 這就是發(fā)聲者的 “聲音” (如圖 1 - 1 所示)。 這種方法是將聲信號轉化成光信
號, 并進行放大, 從而可以 “看見” 聲音。(4) 質疑創(chuàng)新
1) 探究固體傳聲
在研究固體能否傳聲時, 教材中設計的方案如下: 利用一張桌子做實驗, 一名同
學輕敲桌子, 另一名同學把耳朵貼在桌面上。 此實驗能得出什么結論?
這種方案的設計沒有考慮到這位同學的另一只耳朵還可以聽到通過空氣傳播過來
的聲音, 實驗方案存在缺陷。 所以, 需要這位同學堵住另一只耳朵, 或者用 “土電話”
的實驗來說明固體可以傳聲。
2) 探究液體傳聲
教材中設計的方案如下: 雙手拿著石頭在水中擊打, 可以聽到敲擊石頭的聲音。 這
種方案的不足之處是: 聲音可以通過手、 胳膊傳播出來, 不足以說明聲音是通過水傳播
的。 可以改成: 將一個用細線系好的音樂芯片放入水中, 人在旁邊可以聽到音樂聲; 也
可以改為: 將一部用塑料袋裝好的手機置于水中后, 用細線系住塑料袋, 這兩種方案都
是抓住主要矛盾, 忽略聲音通過細線傳播這個途徑。 當然, 最佳方案是讓發(fā)聲物體懸在水
中, 可以通過改變塑料袋的大小, 使塑料袋和手機受到的浮力等于重力, 從而實現懸浮。
3) 鐘罩實驗的改進
做鐘罩實驗時, 如果把鬧鐘直接放在鐘罩的底座上, 聲音可以通過固體傳播, 實
驗效果不佳。 可以改為: 把鬧鐘墊在海綿或泡沫上, 起到減震的作用; 還可以把鬧鐘
懸掛在玻璃罩的頂部, 以忽略次要矛盾———細線的傳聲, 從而使實驗效果得到改善。
如果沒有現成的鐘罩實驗裝置, 可以用集氣瓶替代鐘罩來完成實驗。
4) 顯示音叉振動的波形
在探究音叉振動的波形時, 除可以用示波器以外, 還可以在音叉上固定一根鋼針,
把一塊用蠟燭熏黑的玻璃板沿著垂直于音叉振動的方向快速劃過, 可以看到玻璃板上
留下音叉振動的波形。
以上問題的討論和實驗改進, 可以培養(yǎng)學生不迷信權威、 勇于創(chuàng)新的意識。
3. 科學探究
科學探究是指基于觀察和實驗提出科學問題、 形成猜想和假設、 設計實驗與制定
方案、 獲取與處理信息、 基于證據得出結論并作出解釋, 以及對學科探究過程和結果
進行交流、 評估、 反思的能力。 科學探究主要包括問題、 證據、 解釋、 交流等要素。
《聲現象》 這一章涉及科學探究的實驗有: 探究聲音的產生、 聲音的傳播、 聲音的
響度與聲源振動幅度的關系、 聲音的音調與聲源振動頻率的關系等。 下面以探究聲音
的產生為例, 來說明科學探究的幾個要素。
(1) 提出問題
聲音是大家最熟悉不過的一種現象, 那么聲音到底是怎么產生的呢?
(2) 證據
在探究聲音的產生時, 可以通過物體發(fā)聲與不發(fā)聲的不同進行對比, 也就是求異
法, 得出聲音是由物體的振動產生的結論; 也可以通過尋找各種發(fā)聲物體的共同點進
行求同, 得出結論。
(3) 解釋
把通過敲擊發(fā)聲的音叉靠近懸掛著的乒乓球, 會看到乒乓球被彈開, 說明音叉在
振動; 把不發(fā)聲的音叉靠近懸掛著的乒乓球, 看不到乒乓球被彈開, 從而說明聲音是
由物體的振動產生的。 為了使實驗結論更加可靠, 還可以選用其他聲源進行研究。 音
叉振動的結論還可以通過其他一些現象得出, 比如把敲擊后的音叉插入水中, 可以看
到水花飛濺等。
4. 科學態(tài)度與責任
科學態(tài)度與責任是指在認識科學本質和了解科學、 技術、 社會、 環(huán)境之間關系的基
礎上, 逐漸形成的探索自然的內在動力, 嚴謹認真、 實事求是、 持之以恒的品質, 熱愛
自然、 保護環(huán)境、 遵守科學倫理的自覺行為, 以及推動可持續(xù)發(fā)展和實現中華民族偉大
復興的使命擔當。 科學態(tài)度與責任主要包括科學本質觀、 科學態(tài)度、 社會責任等要素。
(1) 科學本質觀
在介紹實驗中常見的音叉、 鼓、 鑼、 鋼尺發(fā)聲的基礎上, 可以和同學一起討論各
種動物的發(fā)聲, 比如蚊子、 蟋蟀、 蝙蝠、 水母、 母雞、 海豚等發(fā)聲原理。
講到回聲時, 可以引導學生討論: 教師在講課時, 教室內是否有回聲? 耳朵有沒
有接收到回聲? 人們是否能分辨出回聲與原聲? 補充介紹祖國的大好河山, 如江西弋
陽的 “四聲谷”: 游客高喊一聲后, 可以連續(xù)聽到四次聲音; 還可以拓展到雙耳效應和
立體聲的知識。
講到固體傳聲時, 可以引導學生討論: 人們在咀嚼堅果時, 為什么自己感覺到聲
音很大而旁邊的人幾乎聽不到咀嚼聲? 然后介紹骨傳導知識。
介紹超聲波時, 可以引導學生討論: 蝙蝠為何能在黑夜飛行, 從而引出回聲定位;
還可以進一步討論聲吶與雷達的不同之處。
傳揚古代中華民族在聲現象研究中的成就時, 可以介紹天壇的回音壁和三音石、
戰(zhàn)國時期的曾侯乙編鐘、 7000 多年前的骨哨和骨笛, 探討山西永濟市境內的鶯鶯塔的
聲學現象, 游客站在塔前擊打石塊, 聲音經過多層塔檐反射后, 回聲相繼延遲, 可以
聽到蟾鳴般的回聲, 出現 “普救蟾聲” 的奇妙現象。
據記載, 唐朝洛陽有一個老和尚, 有一天他得到一個磬, 結果那個磬常常半夜自
鳴, 老和尚疑神疑鬼, 被嚇得生了一場大病。 后來經有學問的人指點, 才知道此磬與
前殿大鐘的固有頻率相同, 擊彼應此, 故鐘鳴磬響。
用發(fā)聲的音叉接觸懸掛著的乒乓球時, 會發(fā)現乒乓球被彈開的幅度時大時小, 沒
有一定的規(guī)律。 主要原因是乒乓球被彈開一次后, 再與音叉接觸時, 每次音叉的相位
不同, 乒乓球的速度也不同, 碰撞后乒乓球獲得的能量也不同。
通過教師對這些知識的介紹, 學生對聲現象的本質有了更多的了解, 不僅保持對
科學探索的興趣與熱情, 還在認識自然的過程中獲得了成就感與自豪感。
(2) 科學態(tài)度
用鐘罩實驗研究真空能否傳聲時, 無論怎么抽氣, 坐在前排的同學還是能隱約聽到
微弱的聲音, 這時教師不要回避現象, 要和學生探討其中原因, 一是在現有條件下不可能抽成真空, 二是鐘罩底座或者懸掛的細線會傳聲。 引導學生認識到: 在研究物理問題
時, 可以忽略次要矛盾, 抓主要矛盾, 在實驗的基礎上進行合理推理、 得出結論。
聲音是一種波, 如何看見這種波呢? 可以借用示波器或者示波器軟件, 來研究聲
音的響度與振幅的關系、 聲音的音調與聲源頻率的關系, 會看到不同樂器發(fā)聲時的波
形不同。
通過了解貝多芬晚年失聰, 用牙齒咬著硬棒搭在鋼琴上聽聲譜曲的故事, 引導學
生學習他對音樂熱愛和追求的精神, 樹立嚴謹認真的科學態(tài)度。
引導學生討論: 百米賽跑的計時員能否通過聽槍聲準確計時?
利用探究的結論: 敲擊和吹裝有不同深度的水的玻璃杯發(fā)出聲音的音調不同, 帶
領學生制作小樂器 (比如水杯琴、 橡皮筋吉他), 培養(yǎng)學生實事求是、 尊重自然規(guī)律的
科學態(tài)度。
(3) 社會責任
學生通過學習了解噪聲的形成、 危害、 控制和利用以及不可聽聲 (次聲和超聲)
的利用等, 了解倒車雷達、 超聲導盲儀、 超聲除草器、 超聲波加濕器、 超聲探傷儀、
超聲波測速儀、 “水母耳” 次聲預報儀、 語音識別系統(tǒng)等, 地震時敲擊暖氣片能把敲擊
聲傳遍樓內各處, 以鮮活的事例引導學生關注科技對人類生活、 自然環(huán)境及社會發(fā)展
的影響, 培養(yǎng)環(huán)境保護、 可持續(xù)發(fā)展的意識, 用科學技術服務人類的意識, 以及民族
復興大業(yè)的使命感與擔當意識。