關鍵概念
聲音
音樂
物理學
聲波
頻率
導言
你有沒有想過樂器是如何發出美妙的聲音的？ 這都歸結於科學！ 為了發出特定的音符，樂器必須產生特定大小的聲波。 因此，你聽到的音高實際上只是一系列大小相似的聲波在空氣中傳播並撞擊你的耳朵。
當然，大多數樂器都能夠產生許多不同的音符——或不同大小的聲波。 許多樂器透過改變樂器部分部件的長度來實現這一點，例如鋼琴或吉他中的琴絃，或者長號的可調節氣柱或木琴上不同長度的琴鍵。 在這項科學活動中，你將使用飲用吸管制作自己的樂器，並探索改變吸管的長度如何改變它們產生的音符。
背景
聲音是由振動產生的。 振動推拉空氣分子，改變它們周圍的氣壓。 推力導致空氣區域性壓縮（壓力增加），拉力導致空氣區域性稀疏（壓力降低）。 壓縮和稀疏作為 波，從原始聲源迅速透過空氣傳播，從而產生聲音。 聲音本身就是一種波，一種氣壓變化的模式。
對於聲波，波的頻率對應於聲音的感知音高。 頻率越高，感知音高越高。 從技術上講，波的頻率描述的是在一定時間內發生的波的週期數。 這是以赫茲 (Hz) 為單位測量的，單位是週期/秒。 平均而言，人類聽覺的頻率範圍從低端的 20 Hz 到高階的 20,000 Hz。
在絃樂器上，例如吉他或鋼琴，當琴絃被撥動（吉他）或敲擊（鋼琴）時，它會振動並在琴絃上產生駐波。 這些振動傳遞到樂器的音板，從而放大聲音。
材料
至少兩根塑膠或紙質飲用吸管
剪刀
鋼琴、電子鍵盤或其他可以產生音階的樂器（可選）
準備
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剪斷其中一根飲用吸管，使其長度為另一根吸管的一半。你認為不同的長度會如何影響吸管發出的聲音？
拿起其中一根吸管，將吸管一端約一英寸處壓平。 你可以用牙齒或用手指或指甲捏住來壓平它。
在同一根吸管上，用剪刀在壓平端的兩側各剪一個小角度的切口。 這應該使吸管的末端在壓平時類似於“V”形，但在末端沒有尖頭（末端應該留下一個短的、平坦的、未切割的部分）。
對另一根吸管重複此操作，使兩根吸管的一端都有小角度的切口。
步驟
將較長吸管的切割端插入你的嘴裡。 將切口定位在嘴唇內側。 然後將嘴唇向下和向內彎曲一點，並用嘴唇對吸管施加輕微壓力。 你認為為什麼需要對吸管施加壓力？
對著吸管吹氣。 你聽到了什麼？ 切割端應該會振動併產生音調。 你可能需要稍微移動吸管以找到產生音符的最佳位置。 可能需要一些練習和反覆嘗試才能產生恆定的單音。
現在用相同的方法對著較短的吸管吹氣。 這次你聽到了什麼？它與你用較長吸管聽到的聲音相比如何？ 同樣，你可能需要嘗試對著吸管吹幾次氣才能使其產生恆定的單音。
額外內容：如果你有鋼琴、電子鍵盤或其他樂器，你可以嘗試將吸管發出的音符與真實樂器上的音符進行比較。 你能弄清楚吸管發出的是什麼音符嗎？ 你能說出兩個音符之間的關係是什麼嗎？ 較短吸管發出的音符與較長吸管發出的音符相比如何？
額外內容：你可以嘗試重複此活動，但使用八根吸管，並嘗試切割它們，使每根吸管產生音階中的一個音符。 例如，對於以 C 開頭的音階，這八個音符對應於鋼琴上的白鍵：C、D、E、F、G、A、B、C。 有關如何執行此操作的詳細資訊，請參閱“更多探索”部分中的科學夥伴專案想法。 你能用八根切割成不同長度的吸管制作音階嗎？
額外內容：其他樂器也很容易製作！ 你可以透過在蘇打水瓶中裝入不同量的水並對著瓶口吹氣，或者在酒杯中裝入不同量的水，並用乾淨、略溼的手指沿杯口邊緣摩擦以引起振動來製作多個音符。 當你改變這些樂器中的水量時，它們產生的音符會如何變化？ 你能用它們演奏音階或歌曲嗎？
[分隔符]
觀察和結果
較短的吸管是否比較長的吸管發出音調更高的聲音？
聲音的音高對應於聲波的頻率。 頻率越高，感知音高越高。 較短的吸管應該比較長的吸管產生頻率更高的聲波，因此較短的吸管應該比較長的吸管發出更高的音高。
事實上，由於較短的吸管長度是較長吸管的一半，因此較短的吸管應該產生的頻率是較長吸管頻率的兩倍。 （這基於一個數學方程式，該方程式描述了開放圓柱體中產生的頻率如何受圓柱體長度的影響，其中頻率等於聲速（應該是恆定的）除以圓柱體長度的兩倍。 有關此方面的資源，請參閱“更多探索”部分。）當一個聲波的頻率是另一個聲波頻率的兩倍時，音高相差一個八度音階。 例如，中央 C 音符的頻率為 262 Hz，而高八度音階的 C 音符的頻率為 524 Hz（或 2 乘以 262 Hz）。 但是，你可能會發現，在此活動中，可能需要一些練習才能使用吸管樂器產生恆定的單音。
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