用于演示声音与振动之间关系的教学装置的制作方法

[0001]
本申请涉及教学领域，尤其涉及一种用于演示声音与振动之间关系的教学装置。


背景技术：

[0002]“物体振动得越快，发出的声音的音调就越高”为初中物理声学的一个重要概念，教科书中一般鼓励学生通过尺振动的实验理解此概念。
[0003]
在此实验中，学生只需将钢尺的一端固定于桌面，并将钢尺的另一端伸出桌边，用手拨动钢尺以使钢尺振动并产生声音。然后逐渐加长(或缩短)钢尺伸出桌边的长度，再拨动钢尺使其产生声音。钢尺伸出桌边的长度会影响钢尺振动的频率，从而使钢尺产生的声音的音调发生变化。学生通过视觉鉴定钢尺振动的频率，并通过听觉鉴定声音的音调的高低，由此得到声音的音调与物体振动频率的关系。
[0004]
但是，在钢尺的振动频率为10赫兹以上时，学生仅凭人眼观察钢尺难以准确地知晓振动频率的高低，导致本实验中关于钢尺振动频率变化的实验变量难以界定，从而影响实验效果，无法帮助学生很好地理解音调与振动频率的关系。


技术实现要素：

[0005]
本申请实施例提供一种用于演示声音与振动之间关系的教学装置，以解决或缓解现有技术中的一项或更多项技术问题。
[0006]
根据本申请实施例的用于演示声音与振动之间关系的教学装置，包括：
[0007]
声源部，固定于支撑平面，且声源部的至少一部分由支撑平面伸出以形成振动段，振动段适于往复振动；
[0008]
磁性件，设于振动段；
[0009]
磁场传感器，用于检测磁性件产生的磁场强度，磁场传感器包括磁感应件，磁感应件邻近磁性件设置。
[0010]
在一种实施方式中，振动段适于在与支撑平面相垂直的方向上往复振动。
[0011]
在一种实施方式中，磁性件为两个，两个磁性件在与支撑平面相垂直的方向上相对设置，且两个磁性件分别设于振动段的两个表面上。
[0012]
在一种实施方式中，两个磁性件的磁极方向相反设置。
[0013]
在一种实施方式中，磁感应件在与支撑平面相垂直的方向上位于两个磁性件的中间。
[0014]
在一种实施方式中，两个磁性件的端部与振动段的邻近传感器的侧边沿平齐设置。
[0015]
在一种实施方式中，声源部伸出支撑平面的长度可调节。
[0016]
在一种实施方式中，两个磁性件邻近振动段的端部设置。
[0017]
在一种实施方式中，该教学装置还包括：
[0018]
显示终端，与磁场传感器电通讯，用于接收磁场传感器发送的电信号，并将电信号
转化为磁场强度随时间变化的曲线图。
[0019]
根据本申请实施例的教学装置具有实验结果精准、演示效果好的优点，可以更好地帮助学生理解声音的音调与物体振动频率之间的关系。
[0020]
上述概述仅仅是为了说明书的目的，并不意图以任何方式进行限制。除上述描述的示意性的方面、实施方式和特征之外，通过参考附图和以下的详细描述，本申请进一步的方面、实施方式和特征将会是容易明白的。
附图说明
[0021]
在附图中，除非另外规定，否则贯穿多个附图相同的附图标记表示相同或相似的部件或元素。这些附图不一定是按照比例绘制的。应该理解，这些附图仅描绘了根据本申请公开的一些实施方式，而不应将其视为是对本申请范围的限制。
[0022]
图1示出根据本申请实施例的用于演示声音与振动之间关系的教学装置的结构示意图；
[0023]
图2示出根据本申请实施例的用于演示声音与振动之间关系的教学装置的局部结构示意图；
[0024]
图3示出根据本申请实施例的用于演示声音与振动之间关系的教学装置的声源部的振动段在未发生振动时的示意图；
[0025]
图4示出根据本申请实施例的用于演示声音与振动之间关系的教学装置的声源部的振动段在向下振动时的示意图；
[0026]
图5示出根据本申请实施例的用于演示声音与振动之间关系的教学装置的声源部的振动段在向上振动时的示意图；
[0027]
图6示出根据本申请实施例的用于演示声音与振动之间关系的教学装置的磁场传感器所检测到的磁场强度随时间变化的曲线图；
[0028]
图7示出根据本申请实施例的用于演示声音与振动之间关系的教学装置的磁场传感器所检测到的磁场强度随时间变化的曲线图；
[0029]
图8示出根据本申请实施例的用于演示声音与振动之间关系的教学装置的磁场传感器所检测到的磁场强度随时间变化的曲线图；
[0030]
图9示出根据本申请实施例的用于演示声音与振动之间关系的教学装置的磁场传感器所检测到的磁场强度随时间变化的曲线图；
[0031]
图10示出根据本申请实施例的实验方法的流程图。
[0032]
附图标记说明：
[0033]
教学装置100；
[0034]
声源部10；振动段11；固定段12；
[0035]
磁性件20；第一磁性件21；第二磁性件22；
[0036]
磁场传感器30；磁感应件31；
[0037]
支撑平面200。
具体实施方式
[0038]
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的
那样，在不脱离本申请的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
[0039]
下面参照图1-图9描述根据本申请实施例的用于演示声音与振动之间关系的教学装置。
[0040]
图1示出根据本申请实施例的用于演示声音与振动之间关系的教学装置100的结构示意图。如图1所示，教学装置100包括声源部10、磁性件20和磁场传感器30。
[0041]
具体而言，声源部10固定于支撑平面200，且声源部10的至少一部分由支撑平面200伸出以形成振动段11，振动段11适于在与支撑平面200相垂直的方向上往复振动。磁性件20设于振动段11。磁场传感器30用于检测磁性件20产生的磁场强度，磁场传感器30包括磁感应件31，磁感应件31邻近磁性件20设置。
[0042]
在一个具体示例中，支撑平面200可以为平行于水平面的桌面，声源部10可以为直尺。直尺的第一端通过手或者其他紧固件固定于桌面，直尺的另一端由桌面的边沿伸出，并处于悬空状态。其中，直尺的与桌面相贴合的部分形成固定段12，直尺的由桌面伸出的部分形成振动段11。可以理解的是，在与水平面相垂直的方向上对振动段11施加外力后，即在上下方向上对振动段11施加外力后，可以使振动段11在上下方向上往复振动，并且振动段11在振动过程中可以产生声音。同时，由于固定段12与桌面贴合设置，因此固定段12相对桌面无法形成有效振动。
[0043]
进一步地，磁性件20可以为磁铁。磁铁可以通过胶粘的方式固定于振动段11的上表面或下表面。
[0044]
磁场传感器30可以设置于声源部10的一侧，例如图示中的左侧或右侧，且磁场传感器30的磁感应件31邻近振动段11上的磁性件20设置。其中，磁场传感器30可以采用现有技术中任意形式的磁场传感器30，只要满足可以检测出其所在位置的磁场强度的要求即可。
[0045]
值得说明的是，在振动段11往复振动的过程中，磁性件20随振动段11同步振动。并且，由于磁场传感器30的位置相对支撑平面200固定，因此磁场传感器30所检测到的磁场强度的数值随磁性件20位置的变化而变化。由此，通过读取磁场传感器30输出的数值即可计算得到磁性件20的振动频率的高低。
[0046]
示例性地，在振动段11往复振动的过程中，在振动段11处于某个参考位置时，将此时传感器所测得的磁场强度的数值记为参考数值h
0
。例如，参考位置可以为复位位置，即振动段11在发生振动之前的初始位置，记录相邻两个参考数值h
0
之间的时间间隔δt
0
，通过计算即可得到振动段11的振动频率f
0
。其中，振动段11的振动频率f
0
＝1/(2δt
0
)。
[0047]
下面描述根据本申请实施例的实验装置的实验过程。
[0048]
具体而言，学生首先将声源部10的一端固定于桌面，并将声源部10的另一端伸出桌边，然后用手拨动声源部10的另一端(即振动段11)以使声源部10振动并产生声音，通过读取磁场传感器30的读数计算得到振动段11的振动频率，并通过听觉鉴定声音的音调的高低。然后增大(或减小)声源部10伸出桌边的长度，再拨动声源部10使其产生声音，通过读取磁场传感器30的读数计算此次振动段11振动过程中的振动频率，并通过听觉鉴定此次振动段11所产生的声音的音调高低。经过多次计算和鉴定后，比对每次所记录的振动频率的数据，并通过每次鉴定的音调的高低，得到声音的音调与声源部10振动频率之间的关系。
[0049]
需要说明的是，在本申请的其他示例中，本申请实施例的教学装置100还可以通过设置音调检测装置来检测每次试验过程中音调的高低。
[0050]
根据本申请实施例的教学装置100，通过在声源部10的振动段11上设置磁性件20，并在磁性件20的一侧设置用于检测磁场强度的磁场传感器30，通过磁场传感器30的数值变化可以计算得到声源部10的振动段11的振动频率。相比于相关技术中通过学生的视觉观察声源部10的振动频率，本申请实施例的教学装置100可以将声源部10的振动频率量化，从而解决了现有技术中钢尺振动频率变化的实验变量难以界定的技术问题。因此，根据本申请实施例的教学装置100具有实验结果精准、演示效果好的优点，可以更好地帮助学生理解声音的音调与物体振动频率之间的关系。
[0051]
在一种实施方式中，磁性件20为两个，两个磁性件20在与支撑平面200相垂直的方向上相对设置，且两个磁性件20分别设于振动段11的两个侧表面上。其中，两个磁性件20的端部与振动段11的邻近传感器的侧边沿平齐设置，且两个磁性件20邻近振动段11的端部(即振动段11的远离固定段12的一端)设置。
[0052]
示例性地，如图2所示，振动段11的具有在上下方向上相对设置的上表面和下表面，两个磁性件20分别为第一磁性件21和第二磁性件22，第一磁性件21设于振动段11的上表面，第二磁性件22设于振动段11的下表面，且第一磁性件21和第二磁性件22在上下方向上相对设置。第一磁性件21的右端以及第二磁性件22的右端均与振动段11的右侧边沿平齐设置，并且，第一磁性件21和第二磁性件22均邻近振动段11的前端设置。
[0053]
可选地，两个磁性件20的磁极方向相反设置。例如，在图2所示的示例中，第一磁性件21的n极可以朝向磁场传感器30的磁感应件31设置，第二磁性件22的s极可以朝向磁场传感器30的磁感应件31设置。其中，磁场传感器30可以位于声源部10的右侧，即第一磁性件21的n极和第二磁性件22的s极分别朝向图示中的右侧设置。
[0054]
进一步地，磁感应件31在与支撑平面200相垂直的方向上位于两个磁性件20的中间。例如，在图3所示的示例中，磁感应件31在上下方向上的位置位于第一磁性件21和第二磁性件22的中间。
[0055]
可以理解的是，邻近第一磁性件21的n极的磁场强度为正值，邻近第二磁性件22的s极的磁场强度为负值，磁场传感器30所检测到的磁场强度为第一磁性件21和第二磁性件22的磁场叠加后的磁场强度。由于第一磁性件21和第二磁性件22的磁极方向相反设置，且磁感应件31的位置位于第一磁性件21和第二磁性件22的中间，因此，在振动段11往复振动的过程中，如图3所示，当振动段11处于复位位置时(即振动段11静止时所处的位置)，磁场传感器30的读数为零(或趋近于零)；如图4所示，当振动段11向下运动至最大距离时，磁场传感器30的读数为正值且达到最大值；如图5所示，当振动段11向上运动至最大距离时，磁场传感器30的读数为负值且达到最小值。
[0056]
可选地，声源部10伸出支撑平面200的长度可调节，即振动段11的长度可以调节。由此，可以对振动段11的振动频率以及振幅进行调节，以便进行多组实验进行对比。
[0057]
在一种实施方式中，该教学装置100还包括显示终端。显示终端与磁场传感器30电通讯，用于接收磁场传感器30发送的电信号，并将电信号转化为磁场强度随时间变化的曲线图。
[0058]
示例性地，显示终端可以为计算机的显示器，并且磁场传感器30可以通过信号采
集器与计算机相连，并通过相应的软件将磁场传感器30发送的电信号转化为磁场强度随时间变化的曲线图，其中，曲线图通过计算机的显示器进行显示。
[0059]
可以理解的是，振动段11由图4位置运动至图5位置，再由图5位置运动至图4位置的过程即为振动段11的一个运动周期，该过程的时间的反比即为振动段11的振动频率。
[0060]
图6示出振动段11在上述一个运动周期内磁场强度随时间变化的曲线图。如图6所示，在该运动周期内，曲线图中包含两个零点值，两个零点值对应的时间间隔即为该运动周期持续时间的二分之一，即通过相邻两个零点值之间的时间间隔即可计算得到振动段11的运动频率。
[0061]
图10示出根据本申请实施例的实验方法的流程图。根据本申请实施例的实验方法可以应用于上述实施例的教学装置100，以向学生演示声音与振动参数之间的关系。
[0062]
如图10所示，根据本申请实施例的实验方法包括：
[0063]
步骤s101：将声源部10固定于支撑平面200，并使声源部10的一部分伸出支撑平面200，以形成振动段11；
[0064]
步骤s102：将磁场传感器30固定于振动段11的一侧，并使磁场传感器30的磁感应件31位于两个磁性件20的中间；
[0065]
步骤s103：对振动段11施加外力，以使振动段11往复振动；例如，可以在于支撑平面200相垂直的方向上对振动段11施加外力，以使振动段11在于支撑平面200相垂直的方向上往复振动；
[0066]
步骤s104：读取显示终端显示的磁场强度随时间变化的曲线图，在曲线图中统计参考时间段δt内的零点值的数量n，并计算在参考时间段δt内振动段11的振动频率f，其中，f＝n/(2δt)。
[0067]
下面以一个示例描述根据本申请实施例的实验方法的步骤s104。
[0068]
首先从曲线图中选取一段波动幅度适当大的曲线片段，该曲线片段对应的时长为δt(即参考时间段δt)，然后在该曲线片段中统计零点值的数量n。磁场强度的波动频率f
1
可以通过公式f
1
＝n/(2δt)计算得到。其中，磁场强度的波动频率f
1
即为振动段11的振动频率f。
[0069]
值得说明的是，由于实验误差无法避免，尤其是磁场传感器30的磁感应件31的实际位置难以保证精准地设置于两个磁性件20的中间。例如，当磁场传感器30的实际位置位于两个磁性件20的中间位置的上方时，如图7所示，曲线相对时间轴向上偏移；再例如，当磁场传感器30的实际位置位于两个磁性件20的中间位置的下方时，如图8所示，曲线相对时间轴向下偏移。
[0070]
根据本申请实施例的实验方法可以消除实验误差对实验结果的影响。具体而言，如果感应部件只稍微高于或低于两个磁性件20的中间位置，振动段11的一个运动周期的曲线图片段中仍然存在2个零读数点，因此，通过在参考时间段δt内统计零点值的数量n，并通过计算得到的振动频率f仍然为振动段11的实际振动频率。
[0071]
再者，如果磁场传感器30的磁感应件31相对两个磁性件20的中间位置在上下方向上的位置误差过大，导致在振动段11振动过程中磁场传感器30的磁场读数均为正值或负值，则可以适当地调节磁感应件31的位置，以使磁感应件31趋近于两个磁性件20的中间位置，从而使磁场传感器30的读数在正值和负值之间波动。
[0072]
图9示出磁场传感器30所检测到的磁场强度随时间变化的曲线图。由图9可以看出，磁场传感器30的读数是随着时间逐渐衰减的，由此，可以向学生演示声源部10在振动过程中，由于振动段11受摩擦和介质阻力影响，振动段11的振幅随时间逐渐衰减。
[0073]
本申请实施例的教学装置100通过采用上述技术方案，具有实验结果精准、演示效果好的优点，可以更好地帮助学生理解声音的音调与物体振动频率之间的关系。
[0074]
在本说明书的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“水平”、“内”、“外”、“轴向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
[0075]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0076]
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
[0077]
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“上方”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0078]
上文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，上文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。
[0079]
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到其各种变化或替换，这些都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

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