蚊子的嗡嗡聲
壹、活動目標 Goal
學習使用數位工具分析聲音。了解蚊子的聲音特徵跟管樂器的差異。
大概念 Big Idea
無
核心問題(探究問題) Essential Question
無
教學對象
國中生7~9年級
教學時間
45分鐘/1節課
作者(服務單位)
曾賢德(國立東華大學物理系副教授 )
通訊作者e-mail
sdtzeng@gms.ndhu.edu.tw
貳、課程綱要對照 Course Outline
自-J-A2: 能將所習得的科學知識，連結到自己觀察到的自然現象及實驗數據，學習自我或團體探索證據、回應多元觀點，並能對問題、方法、資訊或數據的可信性抱持合理的懷疑態度或進行檢核，進而解釋因果關係或提出問題可能的解決方案。
自-J-A3: 具備從日常生活經驗中找出問題，並能根據問題特性、資源等因素，善用生活週遭的物品、器材儀器、科技設備與資源，規劃自然科學探究活動。"
INe-K-Ka: 波動、光與聲音
pe-Ⅳ-2: 能正確安全操作適合學習階段的物品、器材儀科技設備與資源。能進行客觀的質性測或數值量並詳實記錄。
Ka-Ⅳ-1: 波的特徵，如波長、頻率速振輻與類型，如波長、頻率速振輻與類型 ，如橫波和縱波。
pe -Ⅴc-2: 能正確安全操作適合學習階段的物品、器材儀科技設備與資源，能適度創新改善執行方式。能進精確的質性觀測或數值量測，視需要並能運用科技儀器輔助記錄。
參、活動原理 Theory
蚊子飛行時，會發出嗡嗡聲，在耳邊時相當惱人。蚊子是昆蟲綱雙翅目之下的蚊科，而花蓮戶外許多會咬人的小黑蚊(臺灣鋏蠓)則是雙翅目之下的蠓科，他們的飛行都是靠翅膀的振動產生升力，因此都會震動空氣產生聲音。不過，小黑蚊產生的聲音太小，很難觀察。
不同的昆蟲，振動翅膀所發出的聲音雖都不一樣，但大致上翅膀越大，飛行時翅膀振動的頻率越低，發出的聲音越低沉；而翅膀越小，飛行時翅膀振動的頻率越高，發出的聲音越尖細。一般人的耳朵對頻率在數百赫茲到數千赫茲的聲音最敏感，而蚊子振動翅膀時產生的聲音頻率正落在人耳聽力最靈敏的頻率範圍。
【圖一】參考資料: Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics. 7th Edition. Jewett & Serway.
透過電腦或手機程式，我們可以分析蚊子飛行的嗡嗡聲，並比對一般樂器發出的聲音，比對其差異，讓我們對聲音的產生模式有更多認識，也從中也學習數位工具的應用。使用電腦時，可以到網址 https://www.zeitnitz.eu/scms/scope_en 下載聲波示波器程式“Soundcard Oscilloscope”。
而Android手機使用者，可到Google Play商店下載頻譜分析程式FFT Spectrum Analyzer ，QR code 如右，網址 https://play.google.com/store/apps/details?id=com.xyz.fft
【圖二】
由於蚊子或小黑蚊不容易隨時抓到，學習時也可先搜索網路上有蚊子聲音的影片，並練習利用程式分析蚊子聲音。以下為分別利用電腦程式Soundcard Oscilloscope以及Android手機程式FFT Spectrum Analyzer所得到的蚊子叫聲頻譜。
【圖三】利用電腦程式Soundcard Oscilloscope所得到的蚊子叫聲頻譜。聲音來源https://youtu.be/t-9KSbMzqoA
【圖四】利用Android手機程式FFT Spectrum Analyzer所得到的蚊子叫聲頻譜。聲音來源https://youtu.be/KKyMJhYeKak
由上面的分析可知，蚊子的聲音頻譜是一根根的，而且有倍數關係。一般樂器的聲音也常是一根根頻譜，振動頻率最低的那根稱為基頻（Fundamental frequency），頻率較高的音稱為泛音（Overtones），兩者統稱為諧音（Harmonics）。不過，不同樂器的泛音特徵不一樣。例如一端開口而一端閉口的管樂器(如伸縮鳥笛)，泛音的頻率會是基頻的奇數倍，其共振示意圖以及頻譜範例如下圖。因為泛音特徵的差異，我們才能分辨出蚊子聲跟笛子聲的差別。
【圖五】參考資料:《科學月刊》579期2018年三月號182-185頁。
如果要仿造蚊子振翅的聲音，可以找塑膠袋薄膜當作是蚊子振翅，用雙手將塑膠袋薄膜輕輕拉直，用嘴巴吹氣也可發出類似的聲音。而聲音頻率的高低可以由雙手之間的塑膠袋薄膜長度來控制。下圖即為實驗的結果，可見其頻譜特徵跟蚊子很像，而基頻的高低與雙手之間的塑膠袋薄膜長度有關。
【圖六】
可以多準備一些樂器，觀察不同樂器的頻譜特徵。更多的實驗與說明可以參考《科學月刊》579期2018年三月號182-185頁 “搞懂聲音的差異，看見聲音的長相”。
【圖一】
【圖二】
【圖三】
【圖四】
【圖五】(左) 單邊開口的空氣柱的共振條件，管底是駐波的節點，開口是駐波的波腹。(右) 長度20公分的粗吸管空氣柱的聲音頻譜。
【圖六】雙手之間的塑膠袋薄膜長度較短 (左) 與較長 (右) 時，吹出的聲音頻譜。
肆、活動材料 Material
器材
電腦或手機、塑膠袋、伸縮鳥笛。
電腦或手機事先安裝聲音分析程式，準備蚊子聲音的檔案。
塑膠袋、剪刀。
藥品
無
伍、活動步驟 Step
第一部分
教師講解
1. 用影片介紹蚊子振翅的動作。說明翅膀振動空氣會產生聲音。
2. 用影片播放蚊子振翅的聲音。
3. 用手機或電腦聲音產生程式，示範說明耳朵聽力與頻率的關係。
4. 用手機或電腦聲音分析程式，播放蚊子振翅的聲音，示範說明其聲音特徵。
5. 教導學員手機或電腦聲音分析程式的操作方法。
---
第二部分
學員實作
1. 學員練習手機或電腦聲音分析程式，觀察伸縮鳥笛的聲音 (波形、頻譜)。
2. 用剪刀剪一段塑膠袋薄膜，輕輕拉直後用嘴巴吹氣，發出類似蚊子嗡嗡的聲音。用手機或電腦聲音分析程式，觀察此聲音的頻譜特徵。
3. 改變雙手之間的塑膠袋薄膜長度，或是改變拉伸塑膠袋薄膜的張力，用手機或電腦聲音分析程式觀察聲音的頻譜特徵變化。
----
第三部分
教師提出問題進行歸納與討論。
(問題1) 蚊子振翅的聲音特徵中，泛音跟基頻之間有何種關係?
(問題2) 蚊子振翅的聲音比較接近絃樂器或管樂器?
(問題3) 雙手之間的塑膠袋薄膜長度跟基頻之間有怎樣的關係?
教案學習單
（待調整）
(問題1) 蚊子振翅的嗡嗡聲，是單頻的聲音? (a)對，(b)錯。
(問題2) 蚊子振翅的聲音頻譜，跟單邊封口的管樂器類似? (a)對，(b)錯。
(問題3) 用雙手輕拉塑膠袋薄膜吹出聲音時，塑膠袋長度越長，吹出聲音的聲音頻率會? (a)越高，(b)越低。
(問題4) 試說明蚊子發出的嗡嗡聲，聲音頻譜的特徵是甚麼?
泛音是基頻的整數倍。
實作注意事項
實驗安全事項
本實驗操作相當安全。
實驗廢棄物處理
無。
參考資料
1. 聲波顯示程式“Soundcard Oscilloscope”網址: https://www.zeitnitz.eu/scms/scope_en
2. 頻譜分析程式FFT Spectrum Analyzer，Google Play商店網址 https://play.google.com/store/apps/details?id=com.xyz.fft
3. 蚊子叫聲1: https://youtu.be/KKyMJhYeKak
4. 蚊子叫聲2: https://youtu.be/t-9KSbMzqoA
5. 高速攝影 蚊子飛行: https://youtu.be/brsWaSb3xvM (時間8:42 - 8:52處)
搞懂聲音的差異，看見聲音的長相。《科學月刊》579期2018年三月號182-185頁。
闖關活動(十分鐘)
壹、準備活動
★教師準備：
1.電腦或手機，安裝聲音分析程式。
2.蚊子飛行影片、蚊子聲音檔案。
3.樂器 (如笛子、伸縮鳥笛或吸管)。
4.塑膠袋、剪刀。
★學生準備：
1.事先分組，每組5-6人。
貳、闖關之前
1.設置關主及組員約2-3人。
2.電腦或手機2-3台，安裝聲音分析程式
3.教師指導關主使用程式，解說如何分析與比較蚊子與樂器聲音的差異。
4.關主及組員練習用塑膠袋薄膜吹出不同的聲音，模仿蚊子聲音。
参、進入關卡
1.關主歡迎闖關者，介紹關名。
2.關主用影片播放蚊子的嗡嗡叫聲，以及利用影片介紹蚊子振翅的動作，說明翁翁聲是翅膀振動空氣產生的聲音。
3.關主示範利用聲音分析程式顯示蚊子的嗡嗡聲頻譜。跟闖關者說明如何看頻譜圖。
4.用聲音產生軟體產生單頻聲音，示範人耳聽力與頻率的關係。
5.關主示範彈奏管樂器(吹奏笛子或伸縮鳥笛)，讓闖關者判讀頻率。
6.關主示範用塑膠袋薄膜吹出聲音，讓闖關者觀察聲音特徵。
7.發給闖關者塑膠袋薄膜(例如:雙層，長約20公分，寬約3公分)，吹出類似蚊子叫聲，觀察頻譜。
8.關主示範透過薄膜長度來改變聲音頻率。闖關者跟隨練習。
9.能吹奏出類似蚊子嗡嗡叫聲，能判讀頻率者，闖關成功。
教學時間
步驟1-2，約2分鐘。
步驟3-4，約4分鐘。
步驟5-7，約8分鐘。
步驟8-9，約6分鐘。
肆、闖關結束
1.闖關者與關主互相答謝，組隊離開。
2.教師可利用上課時間，與學生討論聲音的特徵與哪些因素有關。
預算表
每人次／每組的材料及預算（*以一組為單位）
項目.材料 / 數量/金額 (元)
1.電腦或手機 /約2-3台，2人共用一台/學校準備或關主自備
2.蚊子相關影片、聲音檔案/學校準備或關主自備
3.伸縮鳥笛 / 可每人1支 或 關主示範/6元/支
4.塑膠袋 / 約5人1張/1元/張
5.剪刀/學校準備或關主自備
總計/每人/每人/每組 < 7元