用音樂點(diǎn)燃對物理的熱情

(資料圖片)

圖/文 科普時報記者 吳 桐

陳征授課現(xiàn)場

5月29日下午，在北京市第五十七中學(xué)（以下簡稱“五十七中”）的物理實(shí)驗(yàn)室，氣氛格外熱烈。繼劉嘉麒院士之后，五十七中科技周活動又迎來了一位重量級嘉賓——北京交通大學(xué)副教授、“天宮課堂”授課專家組成員陳征。在這場主題為“聽覺、音樂與物理”的課程中，他為初二（八）班的同學(xué)們帶來一場別開生面的音樂物理課，把五音六律中的科學(xué)娓娓道來。

課程一開場，陳征就拿出一個特斯拉線圈，連上手機(jī)后，它居然一邊放電一邊“唱”起了《新年好》，引得同學(xué)們?nèi)滩蛔∑鹕韲^。隨后，他又播放了一段視頻，一輛汽車正在路上行駛，看似平平無奇，但輪胎發(fā)出的聲音竟然是《歡樂頌》的旋律。

“哇哦，好神奇好有趣！為什么會這樣呢？”同學(xué)們的好奇心一下就被激發(fā)了。但陳征并沒有立刻揭曉答案，而是從基礎(chǔ)的知識點(diǎn)講起。“聽覺有物理的部分，還有生理的部分。”陳征講解道，在物理層面上，聲音是由聲源的振動產(chǎn)生，在空氣、水和金屬等介質(zhì)中傳播的機(jī)械波。而在生理層面，并不是所有傳入耳朵的振動都能引起聽覺。一般認(rèn)為，人類能聽到的振動頻率在20—20000赫茲之間，“低于20赫茲的稱為‘次聲’，高于20000赫茲的就是‘超聲’。”不過陳征說，實(shí)際上，通常人們能聽到的范圍要比這個范圍更窄。說完，他拿出手機(jī)，通過播放不同振動頻率的聲音測試大家的聽力——到了大約17000赫茲頻率，全場就沒有人能聽到了。

什么是“三分損益法”和“十二平均律”？由宮、商、角、徵、羽組成的五音是如何確定的？在了解了聲音的基本物理常識后，陳征進(jìn)一步帶領(lǐng)同學(xué)們探究了音樂背后隱藏的科學(xué)知識，了解了樂理與數(shù)學(xué)、物理之間的關(guān)系。

在完成了理論知識的鋪墊后，陳征才把話題拉回課程最開始展示的兩個神奇的聲音現(xiàn)象。“特斯拉線圈是一種可以擊穿空氣放電的變壓器，那么如何能讓它‘唱歌’呢？”陳征解釋，能夠奏樂的特斯拉線圈是在其原有基礎(chǔ)上加了一個滅弧器，使線圈不再連續(xù)通電，而是以一定的頻率間歇通電，每一次通電形成閃電時都會發(fā)出“啪”的一聲。這樣一來，通過調(diào)節(jié)通電的頻率，就可以控制“啪”的頻率來演奏音樂。“能演奏《歡樂頌》的汽車也是同樣的道理，只不過在這個案例中，通電的頻率換成了輪胎和路面之間摩擦的頻率。”

對于剛接觸物理學(xué)的初二學(xué)生來說，完全理解和掌握這些知識還具有挑戰(zhàn)性，但在聆聽了陳征深入淺出、生動活潑的課程后，同學(xué)們展現(xiàn)出了對物理學(xué)的強(qiáng)烈興趣。

課程最后，陳征還拿出一個自制的排簫，為同學(xué)們帶來一場“謝幕演出”，引起了同學(xué)們熱烈的歡呼和鼓掌。“這是我用家附近商店里買的塑料水管做的，制作原理是‘三分損益法’。所以，學(xué)好物理，萬物皆可成樂器。”緊接著，意猶未盡的同學(xué)們還向陳征提出了各種問題，如果不是下堂課的鈴聲響起，這場熱烈的討論還會持續(xù)很久。

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