电子琴是一种相当普及的电声乐器,它除了用于舞台演奏、音乐教育和家庭娱乐外,在物理教学中也有用武之地。选一架适宜的电子琴,不需任何改动,就可以配合示波器或其它简单教具,作出直观形象的一系列物理实验。
实验1:演示声音的共鸣并粗测声速
中学物理中通常用图1装置演示声音的共鸣并粗测声速。由于音叉音量太小并衰减过快,演示效果不令人满意。笔者将音叉改换成小型扬声器,接在电子琴“耳机输出”插口上,调节电子琴输出稳定持续的声音,将扬声器对着玻璃管口,缓慢上提玻璃管使声音最响,这段空气柱就发生了共鸣。量出其长度,即为这种声波波长的1/4。假如按下的是电子琴小字一组的A键,基音频率为440Hz,量得空气柱长度约为19厘米,可以由此算出该声波在空气中的声速。v=λf≈4×0.19×440≈334米/秒

实验2:演示声波的干涉
选用左右两端各有一只相位及口径完全相同的双喇叭电子琴(间距越大越好)如YAMAHA PSR-40、华星H-360、H-616、H-660、佳莺Z4941等型,作为一对相干波源。按下任一琴键,使琴持续发出稳定的声音,将琴面竖直平放,左右扬声器在同一水平线上,面向学生。缓缓转动电子琴,使坐在不同位置上的学生都能明显地听到琴声忽强忽弱的变化,这就是声波的干涉现象。这种演示方法比教材上介绍的转动音叉或某些杂志介绍的自制专用教具的做法效果不差但更简单易行。
实验3:演示“拍”现象
频率相近的两个同方向振动的合成,在物理学中称为“拍”现象。通常做法是在音叉的某一支叉股上粘上一小块胶皮泥或固定小铁块使两支叉股的固有频率稍有差异,敲击发声后,可以听到声音有周期性的强弱变化的“嗡…嗡…”声。如果需要观察其振动波形,必须用话筒将声音信号先转换成电信号再馈入示波器观察(信号嫌弱时还必须经过放大后再馈入示波器)。在电子琴上做这种演示易如反掌。
选用有短笛(PICCOLO)音色的YAMAHAPSR—40或PSR—11、国产佳莺Z3731或Z4941等型号的电子琴(这种音色的振动波形酷似正弦波,很适于振动的合成)。用屏蔽线将电子琴的“线路输出”插口与示波器“Y输入”相驳接,同时按下电子琴上两只相邻的琴键(或相近的两键),调节示波器使荧光屏上出现图2所示的波形,学生边听边看,对拍现象的认识更加深刻。

演示4:显示同方向不同频率的两个振动的合成
同方向不同频率的两个简谐振动,如果其中较高的频率是较低频率的整数倍,那么,它们的合振动仍然是一个周期性振动,合振动的频率等于分振动中的最低频率。通常要观察这个实验,必须使用两台信号源同时向一台示波器馈入正弦波信号。为了得到稳定的图像,要求两台信号源的输出信号保持稳定的相位差及严格的频率比,这种实验做起来是不太方便的。若用电子琴与示波器相结合,这个实验非常简单易行。
选用上述具有短笛音色的电子琴,由“线路输出”插口输出正弦波信号。按下相差一个8度的两只琴键,就向示波器同时输出两个频率比为1∶2的正弦波信号。这两只琴键按下的时间若有差异,则这两个同方向的简谐振动就有不同的相位差,示波器上显示的合振动图像也是多种多样的,图3为其中的一种。如果按下电子琴上彼此相差8度的三个琴键,示波器上就可以得到频率比为1∶2∶4的同方向上的三个简谐振动合成后的图像,波形就更为复杂,图4为其中一种。在观看示波器上的丰富多采的合振动图像的同时,又聆听到电子琴的音色比原先的短笛音色相去甚远,真可谓赏心悦目,声形并茂。借此说明通常电子琴模拟多种音色的原理即频谱合成技术,学生听来通俗易懂,印象极深。


演示5:说明乐音的三要素
物理学中把音调、音品、声强或响度称为是乐音的三要素。用电子琴与示波器配接,可以直接观察到音调与振动频率的关系;不同乐器的音品与振动波形(即泛音的频率、个数、振幅)的关系;响度与振幅的关系等。(吴克)