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骨笛遐想
——浅析小提琴发声、调音的物理原理

一．选题意义
据我国最早的物理史学家吴南薰先生考证，世界上第一个人工制作的物理仪器就是在兽骨或竹管上挖孔并能吹出声音来的笛子。这既是一种乐器，也是一种声学仪器；我国古代对共鸣、弦的振动、管的音调的研究等都是通过乐器来进行的；希腊哲学家毕达哥拉斯发现了琴弦的长短与音高有一定的关系；从近代物理学发展来看，声学依旧占据着相当重要的部分，且与我们的生活息息相关；……
许多同学都会演奏一些乐器，但对于弦乐器的调试却无从下手。我们结合已经学过的振动学知识，浅析西洋擦弦乐器——小提琴的发声原理，并为演奏者检音、调试提供理论依据和实验结果参考。

二．相关物理知识
实际的乐音由基频、谐波（泛音）、分音三部分组成。每一个乐音即周期性的振动都可以分解为许多不同频率、不同相位、不同振幅的简谐振动的叠加。简单的简谐振动即正弦振动或余弦振动的传播产生的声波叫做纯音，实际的乐音如歌唱声、乐器声等都不是简单的纯音，而是许多的纯音的叠加。在这些简谐振动中，频率最低的叫做基频，基频的能量往往是最大的。频率是基频整数倍的叫做谐波，其余的高频振动叫做分音。现代的分析中表明，还有低于基频的次声。因此，从物理上讲，音乐声应由三部分组成：乐音、在音乐中使用的噪声（如锣、鼓、沙锤、梆子等没有固定音调的打击乐器和海涛、流水、风声等效果声音）以及对音色有影响的在谐波中存在的一部分超声。
一般来说，发生体振动的频率越高，人们听起来音调也越高；发生体的振动频率越低，人们听起来音调就越低。但音调与频率之间并不是严格按比例对应的。一般认为，频率每增高一倍，音调听起来就高一个八度，这仅仅限于中频段。在高音部分，听感偏低，即频率增加一倍，听起来不到高八度，而是偏低，于是要把频率调高些，以适应人的听觉。低音段则听感偏高，于是需要把频率调低些。
乐音听起来有一定的强弱，即音的响度，这是乐音的第二个主观量。声音的能量越大，声强越大，听起来响度就越大。但是，这二者也不是按比例一一对应的。
至于音色，更是一种主观感觉了。从传统来讲，决定音色的主要因素是频谱，所以常常根据频谱模仿各种音色。但据资料显示，实践表明：音的起始与结尾的瞬间状况，即“音头”和“音尾”，也同音色大有关系。音色不仅与频谱的组成（即基频、谐波和分音的数目、长短、相对强度、分音的不谐和程度及瞬态）有关，还与基频和谐波在听音区的位置有关，这是由于人耳对于多种频率的响度反映不同。音色也与听者距声源的距离有关，这是因为一个音中的各种成分的衰减不同。

三．相关音乐知识
音程，就是两个音音高之间的距离。在音乐上，音程用“度”表示。几度就是把起始音算在内，沿着音阶数有几个音名。钢琴上相邻两个键（包括黑键）之间差半音，两个半音等于一个全音。这也是一种表示音程的方法。音程与频率基本上是一一对应的关系。
把两个相差八度音程之间的音顺次排列，就成为音阶。规定音阶中各个音的由来及其精确音高的数学方法叫做律制。
最常用的三种律制是十二平均律、五度相生律和纯律。音阶中的各个音都有音名，由于生律的方法不同，不同律制生成音律中的同名音（例如都是 ）其频率是不一样的。
十二平均律是我国明代科学家朱载堉最先发明的，比西欧早了几十年。他将一个八度音程（频率比为2）按等比数列均分为十二份，得十二律。当前的钢琴和所有键盘乐器以及带“品”的弦乐器等，用的都是这种律制。
数学表示：相邻两音之间的频率比均为： 即从任何一个音开始，比该音高半音的音，其频率是该音的频率乘 ；比该音低半音的音，其频率是该音的频率乘 ；以此类推，可得出所有音的频率。
十二平均律有许多优点，比如它易于转调，简化了不同调的升、降半音之间的关系。
在小提琴中，假如以 音的弦长为基准，那么小字一组（其中的 比 高两个八度） 、 、 、 、 、 、 对应的弦长之间按照十二平均律可由频率关系确定一组固定比值。

四．研究与实验
小提琴的弦是一根两端固定的细钢丝。在拨、擦弦线时产生的波列经两固定端反射，叠加后形成驻波，但其中包含有许多频率的波。在这里，我们只对决定音调高低的基频振动做出分析研究。
驻波的基频振动所对应的为波长最长的振动，即弦长 。提琴弦线与指板之间的距离很小，用手指在指板上压紧琴弦不同位置而使得弦产生的形变量很小，可以忽略不计。则可认为弦上张力 ，及弦的质量线密度 保持不变，可得弦线中波速 近似恒定。因此，可认为有如下比例关系成立：
实验过程：一把小提琴，经专业乐师调音后，定下 音，再由一位有多年演奏经验的同学拨奏单音，多位乐感敏锐、受过专业训练的同学一起听辨，配合其他乐器校对各音高。记录及计算数据如下表。表中的k值定义如下：
相差一个半音的两个音高对应
相差一个全音的两个音高对应
序号n 音高音名 比下
音程差 弦长/mm 总长：320.0mm 上述k值
第一次 第二次 第三次 平均值 计算值 理论值 误差率
1
全音 243.0 243.8 243.7 243.5 1.11 1.12 1.39%
2
全音 220.0 220.9 219.2 220.0 1.13 1.12 0.25%
3
半音 195.5 196.1 195.0 195.5 1.07 1.06 1.11%
4
全音 182.5 181.9 183.1 182.5 1.12 1.12 0.18%
5
全音 162.5 162.0 162.3 162.3 1.13 1.12 0.48%
6
全音 143.8 143.8 144.2 143.9 1.11 1.12 1.00%
7
半音 130.0 129.8 128.7 129.5 1.05 1.06 0.79%
8
124.0 122.4 123.2 123.2
其中弦长一栏为小提琴 弦（四根弦由粗到细依次叫作 、 、 、 弦，指的是该弦的空弦音）上对应各音高压指与琴码两固定点之间的距离，即参加振动的部分弦长。
如上数据显示，平均误差率为0.74%，基本符合前文理论分析。

五．结论
我们总结出对于一把小提琴（邻弦相差五度）的自我调试方法：
以一根弦，例如 弦，的空弦音 为标准，按音高关系计算出同一根弦上 所对应的弦的长度。取 音高即与 弦空弦音等高（这是小提琴的制作要求）。依次调整 弦的松紧、长度后，再算出 弦上 的音高，作为 弦的空弦音。……同理进行下去。
此种方法适用于各类提琴及吉他等擦、拨弦乐器，但须注意：
①对于比空弦音高出许多的音，计算方法误差较大。实验中在一根弦上进行多组数据测量只是为了便于计算、对比，得出结论；实际操作中应对各相邻琴弦依次校对。
②大提琴与吉他相邻的弦空弦音相差四度，计算时应注意数据与小提琴不同。
希望我们的研究能够对广大演奏弦乐器的音乐爱好者提供帮助。

五香茶鸡蛋是人们爱吃的，尤其是趁热吃味道更美。细心的人会发现，鸡蛋刚从滚开的卤汁里取出来的时候，如果你急于剥壳吃蛋，就难免连壳带“肉”一起剥下来。要解决这个问题，有一个诀窍，就是把刚出锅的鸡蛋先放在凉水中浸一会，然后再剥，蛋壳就容易剥下来。
一般的物质（少数几种例外），都具有热胀冷缩的特性。可是，不同的物质受热或冷却的时候，伸缩的速度和幅度各不相同。一般说来，密度小的物质，要比密度大的物质容易发生伸缩，伸缩的幅度也大，传热快的物质，要比传热慢的物质容易伸缩。鸡蛋是硬的蛋壳和软的蛋白、蛋黄组成的，它们的伸缩情况是不一样的。在温度变化不大，或变化比较缓慢均匀的情况下，还显不出什么；一旦温度剧烈变化，蛋壳和蛋白的伸缩步调就不一致了。把煮得滚烫的鸡蛋立即浸入冷水里，蛋壳温度降低，很快收缩，而蛋白仍然是原来的温度，还没有收缩，这时就有一小部分蛋白被蛋壳压挤到蛋的空头处。随后蛋白又因为温度降低而逐渐收缩，而这时蛋壳的收缩已经很缓慢了，这样就使蛋白与蛋壳脱离开来，因此，剥起来就不会连壳带“肉”一起下来了。

从人类的起源开始，物理就一直伴随着我们的生活，人类利用周围的环境为自己制造生机，无意间发现了钻木取火的原理，火的制取和火种的保存是人类生命兴旺的源头，火让人类的食物更加美味更加健康，使他们居住的环境更加温暖，更有助于驱逐凶猛的野兽，火种的保留使得他们每到一处都可以使用火，虽然他们并不知道摩擦生热，能够燃烧的物体温度一旦达到着火点就会燃烧的物理原理，但是却还是有意无意地利用了这些物理原理为自己创造一线生机，没有火，就不会有生生不息的文明。所以是这些物理原理为人类的兴旺做出了巨大的贡献，虽然此时的人类无法控制物理科技，但是能正确地使用这些物理科技为自己创造更好的生活。

　　物体如果密度小于水，就会漂浮在水面上，此时的物体会受到浮力，人类最初并不知道物体会受到浮力，但是却能利用木头可以漂浮在水中的特性，造出了木船，木船对于人类也是一个伟大的发明，虽然人类不知道它能承载多少重量，但是却能利用它来往于其他的陆地，并且打捞一些鱼类，通过船的发明，人类丰富了自己的食物系统，并且能与其他的陆地加强沟通，进行来往贸易，使得人类初步展露出了社会的模型。而后，伟大的物理学家阿基米德，正苦苦求索如何测定王冠的体积，在沐浴的时候水从木桶中溢出，却使他灵光一现，发现了浮力定律，以后的科学家循着他的思路一路探寻，终于发现了流体力学的奥秘，他们可以对水中的船只进行受力分析，得到船能承载多大的重量，更进一步改造了这一工具，使得人类的海上航行技术突飞猛进，也为人类文明的'推进做了巨大的贡献，郑和出海南洋，使得中国国威得以彰显，哥伦布发现新大陆，开拓了人类的视野，使得世界的全貌得以重现，麦哲伦环球航行，证明了地球是圆的，揭开了人类心中对于地球的一层疑云。如果没有船，可能人类对地球的认识还是天圆地方，美洲则会屏蔽在人类的视野中，可能各个国家也会老死不相往来，人类有如此的繁荣兴旺，与物理科技是分不开的。

物理科技小论文

炎热的夏天，热气逼人，吃上一根冰棍才舒服呢！你注意过吗，冰棍从冷藏箱里拿出来往往还冒“汽”哩！ 真有趣，通常只有热的东西才冒汽，冰棍为什么会冒汽呢？

夏天的气温比冰棍的温度高得多，冰棍一遇到空气就要融化，融化时要从周围的空气中吸收大量的热，使空气的温度下降。平时空气里含有一定量的水蒸气，由于温度突然降低，就达到饱和或过饱和状态。也就是说，冰棍周围的空气由于温度降低，便容纳不下原来所含的那么多水蒸气了。在这种情况下，多余的水蒸气就结成微小的水珠，形成一团团飘浮着的雾状水滴，经光线照射，就成了白色的水汽。

云、雾、雨、雪形成的原因也是这样。江河湖海里的水，受到阳光照射后，不断地变成水蒸气，飘散在空气中，含有水蒸气的空气受热上升，升到一定高度，遇到冷空气，就凝成一团团悬浮的小水滴，这便是云。靠近地面的水蒸气，遇冷也能结成一团团悬浮的小水滴，这就是雾。所以云和雾在本质上是相同的。在合适的条件下，云里的小水滴不断地合并成大水滴，直到上升的气流托不住它的时候，便降落下来，形成雨。如果是冬季，这些水滴就结晶成雪花漫天飘舞。不过，空气中饱和水汽的凝结，必须有它凝结的“核心”才行，这个核心就是飘浮在空气中的尘埃，它是促进云、雾、雨、雪形成的必要条件之一。

云雾的秘密，使英国物理学家威尔逊受到很大启发。经过研究，他于1894年发明了一个叫“云雾室”的装置，它里面充满了干净空气和酒精（或乙醚）的饱和汽。如果闯进去一个肉眼看不见的带电微粒，它就成了“云雾”凝结的核心，形成雾点，这些雾点便显示出微粒运动的“足迹”。因此，科学家可以通过“云雾室”，来观察肉眼看不见的基本粒子（电子质子等）的运动和变化情况。同时，还发现了不少新的基本粒子。威尔逊云雾室，为研究微观世界作出了卓越贡献，1927年，他因此荣获了诺贝尔物理学奖金。

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