石墨是碳元素的同素异形体，是结晶形碳，灰黑色不透明固体。独特的晶体结构，使石墨具有高导电导热性、熔点极高、良好的润滑性、可塑性和化学稳定性。石墨常用于制造坩埚、电极、电刷、干电池、石墨纤维、换热器、冷却器、电弧炉、弧光灯、铅笔的笔芯等。那么石墨是否能够用于乐器制作呢？八（5）班的物理大理科“电音之王”小组6位成员在韩东辉老师指导下开启了石墨应用的探索之旅。

探索工作分为四个步骤，分别是：1、石墨导电性能探究；2、NE555芯片应用探究；3、“电音之王”乐器制作和调试；4、乐器原型的持续优化。

一、石墨导电性能探究

1、石墨含量越高则导电性能越好

铅笔笔芯的硬度分为13级，从6H到6B硬度依次降低，铅笔颜色依次变深，颜色越深，石墨含量也高，铅笔也越软。探究小组采用常用的6B，2B，HB，2H四种型号铅笔在白纸上均匀涂出长宽相同的石墨带，石墨带长度160mm，宽带25mm，用万用表测量石墨带电阻阻值，经过多次测量获得电阻阻值如下表。由实验可得出结论：在石墨带的长度，宽度相同情况下，石墨的含量越高，电阻阻值越小，导电性能越好。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2、石墨带宽度越宽则导电性能越好

用6B铅笔均匀地在白纸上涂出两条长度相同宽度不同的石墨带，长度为5.5cm，宽度分别为2.5cm和6.5cm。用万用表测量石墨带电阻阻值，经过多次测量获得电阻阻值如下表。由实验可得出结论：在石墨含量相同且石墨带长度相同情况下，石墨带的宽度越宽，则电阻阻值越小，导电性能越好。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

二、NE555芯片应用探究

NE555芯片为8脚集成电路，大约在1971年发布，应用非常广泛。NE555芯片体积小、重量轻、稳定可靠，操作电源范围大，输出端的供电能力强，计时精确度高，价格便宜。

NE555芯片典型电路设计如下图，通过调节电阻R2的阻值就可以在NE555芯片3号管脚输出频率不同的矩形波信号，通过电容C4滤除直流分量后，驱动扬声器发出不同频率对应的音调。NE555芯片输出信号的频率与R1、R2、C1的关系为：

 

 

 

 

 

 

三、“电音之王”乐器制作和调试

人耳听觉的频率范围约为20～20000Hz，超出这个范围的就不为我们人耳所察觉。声音的频率越高，则声音的音调越高，声音的频率越低，则声音的音调越低。音乐中不同音调对应的频率如下表。

 

 

经过综合考虑和反复测算，本次“电音之王”乐器最终确定选择F调为设计目标，F调的音符频率可从上表中查询获得。基于本文前述NE555芯片应用探究基础，选择R1为1 kΩ,C1为100nF，然后根据公式F=1.44/[(R1+R2)*C1]计算R2的电阻阻值,可以得到每个F调音符对应所需的R2电阻阻值，如上右表所示。

在理论计算后，开始制作乐器原型，分如下四个步骤：

1、制作石墨棒。为了方便固定在白纸上涂出的石墨带，并且方便稳定连接NE555模块，项目组将石墨带制作成石墨棒，石墨带的宽度等于石墨棒的周长，石墨棒周长=2，R为石墨管半径。用不同管径PVC管制作多根石墨棒，测试电阻阻值，选择合适管径产生所需电阻阻值，最终选择直径2.6cm的PVC管制作石墨棒，周长8.16cm。

2、制作NE555模块。网购NE555芯片、电阻、电容等元器件和电路板，把NE555芯片和电阻电容元器件焊接制作NE555模块。

3、系统联调。将制作好的石墨棒、NE555模块、扬声器、电池盒等连接起来，通电后试验，能够发出不同的音调。

4、音调校准。初步测量石墨棒不同位置的电阻，与前述计算R2电阻阻值基本相同，弹奏对应频率音调，用校音器进行校准，标注音调位置，最终完成了第一代产品原型。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

四、乐器原型的持续优化

由于手工涂的石墨不够均匀，电阻阻值突变导致第一代产品原型音调不准，需进行持续优化。我们增加琴键机构方便弹奏，采购工厂化生产的石墨纸制作石墨带，通过平板优化固定和对接电路方式，增加功放模块，第二代产品原型有了很大提升，可以成功弹奏乐曲。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

本次探究的心得体会：

在韩老师指导下，物理大理科小组历经了创意提出、调研学习、方案设计、制作联调、原型优化等全部流程，最终完成了“电音之王”乐器制作。虽然乐器目前还不完善，音准和音色还需要提升优化，但是全体成员在乐器制作探究过程中收获很多：1、大家在石墨性能和NE555芯片技术方案探究中，学会了通过互联网索引查阅技术文档，带着问题学习，研究解决方案；2、在乐器电路和石墨棒的制作过程中，充分应用了声音、测量、电路等物理学科知识；3、在制作和试验中，大家逐一解决了音符不准、声音响度不够、石墨带与电路连接容易脱落等难题，遇到了试验反复失败的挫折，体会到最终成功的喜悦。让大家真切感受到科研的艰辛和技术知识储备积累的重要性。