管内空气共振实验报告.doc

唱歌火精灵吃火的管子会唱歌【题目】唱歌火精灵 吃火的管子会唱歌中学物理中，我们知道一切正在发声的物体都在振动，振动停止，发声也停止。在不少管制乐器中，由于簧片的振动，带动管内的空气柱振动，从而发出悠扬的乐音。但是，一根火烧下的钢管为什么也能发出声音呢？下面就让我们实验和探究吃火的管子唱歌的奥秘。【实验装置及材料】传热较不易的不锈钢管 钢丝网 瓦斯喷灯 隔热手套【实验演示】 图一 图二 图三实验时，一只手带隔热手套握住不锈钢管，另一只手打开瓦斯喷灯，对如图一一样对不锈钢管下端加热直听到明显的响声（约1520秒），移开并关闭瓦斯喷灯。然后如上图二，竖直放置不锈钢管，观察实验现象，发现不锈钢管发出嘹亮的响声。接着如上图三，竖直放置不锈钢管，观察实验现象，发现不锈钢管并不像竖直放置时发出声音。实验演示完毕【原理思考】1、管子是怎么发出声音的2、为什么管子竖直放置时候能发声，水平放置却不行？3、对照管制乐器发声原理，两者有何共同点？4、怎样让火烧的管子发出音调高低不同的声音?【原理探究】不锈钢管截面图如右图示。钢管下端装有一块钢丝网，当钢丝网被加热的时候，管内的空气柱受热膨胀上升，钢网和空气产生共振。但由于气流的速度太快，同时形成湍流（Turbulent flow）,发出声音较弱。停止加热之后，里面的空气温度比外面的高，气流以层流（ Laminar flow）的形式通过钢丝网，钢丝网和气体共振，产生驻波（Standing wave ），形成较强的声响。直到钢丝网温度降到某一界限为止。垂直放置时：如右图气流的运动方向，钢管底部的铁网因加热生高温度，与顶端产生温差，管中气体因密度不同而流动，且流动的空气在管中形成驻波共振所致。 水平放置时：如右图气流的运动方向,因管中的热气体是向两端溢出，管中未形成驻波。故没有声音发出对比管制乐器的发音原理可以知道，管内的钢丝网相当于乐器的簧片，热空气的对流共振，就等同于人口将空气吹入乐器管中（如：单簧管，唢呐），产生共振发声。由此，可以改变管得长度，使其发出不同的基音（Fundamental tone ）。由理论和实验得，管越短，基音的波长就也越短，随着管的长度不断缩短，所发的声音的频率就也随之升高，所发声音也越来越高音【问题及讨论】1、这个实验为什么要使用不易导热的不锈钢管？使用不易导热的不锈钢较于普通钢管有两个优点，一是实验中需要加热钢丝网，使空气受热，产生上下温差，形成空气柱共振。假如使用导热性良好的管子，会使上下的温差降低，甚至同温，形不成空气柱的流动和共振，产生的实验现象不明显。二是防止实验时操作不当造成烫伤等危险事故。2、能不能用酒精灯等相对火力较低的热源代替瓦斯喷灯对其进行加热？由于酒精灯的火力很低，对一个物体加热到一定的温度需要的时间会增长。对于这个实验，需要的是加热使空气柱的急剧上升，产生较强的声响。如果使用酒精灯，加热的过程较长，空气柱受热就会较均匀，没有形成空气明显的自下而上的流动，得不到很明显的实验效果。【生活应用】1、空气共振现象广泛运用于制造管制乐器。2、固体中也同样存在共振，在设计桥梁时必须考虑共振对桥梁承重梁的影响。【心得与建议】通过实验的探究，我们观察到了空气在管子中流动时会产生共振的物理现象。从中学习到了：在深入了解物理原理的条件下，可以通过不同的有趣的物理实验方法，实现同一物理现象在不同形式条件下的表现和诠释。在生活中，我们应该多注意生活中常见的一些现象，对事物和现象多思考，我们学到的东西也要学以致用。提高自己的素养。【参考数据】1、http:/demo.phy.tw/experiments/thermodynamics/singingpipe/2、singing pipe 唱歌的管子（视频）/programs/view/xFVrcSMeJqY/ 3、百度文库、【附录】基音（fundamental tone）一般的声音都是由发音体发出的一系列频率、振幅各不相同的振动复合而成的。这些振动中有一个频率最低的振动，由它发出的音就是基音（fundamental tone）即：基音是一个系统能够维持最低频率的驻波所发出的声音 驻波（Standing wave ）定义1：在有一定稳定度和风速的条件下，出现在山脊上空和下风方向上的波谷和波峰保持不动的一种空气波动运动。 应用学科：大气科学（一级学科）；动力气象学（二级学科） 定义2：可以用时间函数与位置函数之乘积来表征的波。 应用学科：电力（一级学科）；通论（二级学科） 定义3：波形不向前传播，仅在平衡位置振动的一种波动。 应用学科：海洋科技（一级学科）；海洋科学（二级学科）；物理海洋学（三级学科） 定义4：可见波形在空间不移动的波。 应用学科：水产学（一级学科）；水产基础科学（二级学科） 两列振幅相同的相干波在同一直线上沿相反方向传播时互相叠加而成的波，称为驻波。频率和振幅均相同、振动方向一致、传播方向相反的两列波叠加后形成的波。波在介质中传播时其波形不断向前推进，故称行波；上述两列波叠加后波形并不向前推进，故称驻波引。湍流（Turbulent flow）定义1：流体中任意一点的物理量均有快速的大幅度起伏，并随时间和空间位置而变化，各层流体间有强烈混合。在河渠流动中当雷诺数大于5002 000时出现。 应用学科：地理学（一级学科）；水文学（二级学科）定义2：速度、压强等流动要素随时间和空间做随机变化，质点轨迹曲折杂乱、互相混掺的流体运动。 应用学科：电力（一级学科）；通论（二级学科） 定义3：海洋水体中任意点速度大小和方向都显著变动的(不稳定的)紊乱流动。 应用学科：生态学（一级学科）；水域生态学（二级学科） 换言之，湍流指的是最高频谱峰值。 湍流产生原因主要有两个： 1.当空气流动时，由于地形差异（山峰）造成的与地表的“摩擦”； 2.由于空气密度差异和气温变化的热效应空气气团垂直运动。 这两种运动往往相互关联层流（Laminar flow）层流是流体的一种流