物理學原理如何幫助我們更好地理解生物現象？聲音提供了一個完美的機會，讓我們能夠銜接這兩個學科。通過分析生物聲音模式——例如鯨魚的歌聲、鳥鳴或蝙蝠的回聲定位——學生們可以在探索波的物理學的同時，深入了解動物溝通與行為。

在物理學中，聲音通常在波與振動單元中被研究，學生會檢視頻率、振幅和波干涉等特性。這些相同的原理在生物學中也扮演重要角色，因為聲音對於動物的行為、溝通和生存至關重要。使用像 Go Direct^® 聲音感應器和 Go Direct 線性運動感應器這樣的工具，教師可以幫助學生將波的特性與真實世界的生物系統聯繫起來，並採取跨學科的方式，強調兩個學科中的結構與功能。

聲音的物理學

我們認為聲音是在物理介質中以人類耳朵可檢測的頻率（20 Hz 至 20,000 Hz）振動所產生的。低於 20 Hz 的振動被視為次聲波，高於 20,000 Hz 的振動則被稱為超聲波。物理介質通常是空氣，但也可能是液體或固體。在沒有空氣的外太空，聲音無法傳播。正如俗話說的，在太空裡，沒有人能聽到你的尖叫。

這些振動由壓力波組成，從聲源向外傳播，我們的耳朵接收並解釋這些波。不同的材料和聲源可以產生具有獨特特性的聲波——無論是我們的聲帶振動、樂器上的弦線，還是音叉的叉尖。

當學生開始思考聲音的特性時，他們通常會關注聲音的響度（振幅或強度）和音高（頻率）。一個簡單的方式是使用 Go Direct 聲音感應器和 Vernier Graphical Analysis^® Pro 來視覺化並分析這些特性。

波形與 FFT 分析

Go Direct 聲音感應器使用 MEMS 麥克風捕捉高解析度的聲音數據（每秒最多 10,000 個樣本），涵蓋了人類聽力的大部分範圍。學生可以用它來收集聲音數據，並探究波的振幅、頻率和諧波。

長笛演奏單一音符的波形

使用 Graphical Analysis Pro，學生可以進行快速傅立葉轉換（FFT）分析。波形圖顯示聲壓隨時間的變化。FFT 則將該波形分解成其組成頻率及其相對振幅。這項功能對於更好地理解共振與諧波尤為重要。為什麼像大提琴和法國號這樣的樂器，即使演奏相同的音符，聽起來卻不同？FFT 能幫助辨識創造不同音色的獨特頻率特徵。