人教版初中物理:2.3聲的利用

2020-12-06 LPhysics

本文小編和大家一起看一下聲音的第三節聲音的利用,本節內容難度也並不大,主要講解了兩個知識點。因此,本文在聊完這兩個知識點後,我們再來聊一聊聲音的本質。

人從呱呱墜地時起,就開始利用聲音了。媽媽能從嬰兒的啼哭聲中發現寶寶情緒的變化;稅收可以通過汽笛的回聲判斷懸崖的距離;醫生會用各種各樣的超聲儀器為患者診病。總的來說,人類利用聲音主要包括以下兩個方面:聲音可以傳遞信息、聲音可以傳遞能量。

一、聲與信息

我們原來學習過,人教版教材把「聲」分為三類:聲音、超聲和次聲。我們人耳能聽到的聲叫做聲音(f:20Hz~20000Hz),頻率f高於20000Hz的聲成為超聲,頻率f低於20Hz的聲成為次聲。

我們人類平時的交談與交流其實就是在利用聲音傳遞信息,俗話說「好事不出門,壞事傳千裡」,指的就是信息通過聲音進行傳遞。

對於次聲的應用最熟練的莫過於大象了。大象平時就是利用次聲波來進行交流的。大自然的許多活動,如地震、火山噴發、颱風、海嘯、核爆炸等,都伴有次聲波產生。

次聲波不容易衰減,不易被水和空氣吸收。而且次聲波的特點是傳播遠、能夠繞過障礙物傳得很遠,即使在幾千千米以外,使用靈敏的聲學儀器也能接收到一些自然活動產生的次聲波。某些頻率的次聲波由於和人體器官的振動頻率相近甚至相同,容易和人體器官產生共振,對人體有很強的傷害性。

超聲波的利用,最熟練的莫過於蝙蝠了。蝙蝠在飛行時會發出超聲波,這些聲波碰到牆壁或昆蟲時會反射回來,根據回聲到來的方位和時間,蝙蝠可以確定目標的位置。

蝙蝠採用的方法叫做回聲定位。現在,採用這個原理製成的超聲導盲儀可以探測前進道路上的障礙物,以幫助盲人出行。倒車雷達更是在汽車上得到了廣泛的應用。科學家利用這個原理髮明了聲吶。利用聲吶系統,人們可以探知海洋的深度、魚群的位置信息等。

醫生利用聽診器捕獲人體內的聲音信息,來診斷疾病。而藉助超聲波,醫生還可以準確地獲得人體內部臟器的圖像信息。醫生用B型超聲波診斷儀向病人體內發射超聲波,然後接收體內臟器的反射波,反射波攜帶的信息經過處理後顯示在屏幕上,這就是常說的「B超」。

生產實踐中,超聲的檢測技術應用很廣泛。比如,利用超聲可以檢測出鍋爐有沒有裂紋,甚至還可以知道裂紋有多大、多深。

以上就是聲音傳遞信息的各種事例和應用。

二、聲與能量

聲音不僅可以傳遞信息,還可以傳遞能量。這裡從簡單的生活現象就可以類比出來聲音是可以傳遞能量的。我們在水裡扔一個小石子,可以看到一圈一圈的水波向四周散去,水面上的樹葉也隨之起伏。也就是說水波把能量傳給了樹葉。聲波也是一種撥動,因此,聲波也可以傳遞能量。

通過實驗我們也很容易得到這個結論。將一個揚聲器對準正在燃燒的蠟燭的燭焰,開啟揚聲器播放音樂,我們會發現,蠟燭的燭焰會隨之振動,也就是說能量通過聲波傳遞給了蠟燭的燭焰。

生活中,我們經常利用超聲波傳遞能量來為我們服務。因為超聲波產生的振動比可聞聲更加強烈,常被用來清洗物體。把被清洗的物體放在清洗液力,超聲波穿過液體並引起激烈的振動,振動把物體上的汙垢敲擊下來而不會損壞被清洗的物體。戴眼鏡的應該都知道,我們平時去眼鏡店洗眼鏡,利用的就是超聲波。

此外醫生也常利用超聲波振動除去人體內的結石:向人體的結石發射超聲波,結石會被擊成細小的粉末,從而可以順暢地被排出體外。

三、聲音的本質——波

聲音到底是什麼?其本質是一種波,什麼又是波呢?

我們一起看下圖,運動員手持細棒抖動彩帶的一端,彩帶隨之波浪翻卷。這是振動在彩帶上傳播的結果。振動的傳播稱為波動,簡稱波。

波分為兩種,一種像繩子這樣的波動:繩子是上下振動的,但是形成的波動確實左右傳播的,兩者的方向相互垂直。物體的振動方向與波的傳播方向相互垂直的波,叫做橫波。

還有另外一種波,我們將一根長而軟的彈簧水平放在光滑的平面,沿著彈簧軸線的方向不斷拉動,於是產生了彈簧圈密集的部分和彈簧圈稀疏的部分。這樣的密集部分和稀疏部分向右傳播,在彈簧上形成一列波。

像這樣的波中,物體在左右振動,波也是左右傳播,二者的方向在同一直線上。物體的振動方向與波的傳播方向在同一直線上的波,叫做縱波。

發聲體振動時在空氣中產生的聲波是縱波!例如振動的音叉,它的叉股向一側振動時,壓縮鄰近的空氣,使這部分空氣變密,叉股向另一側振動時,又使這部分空氣變得稀疏。這種疏密相間的狀態向外傳播,形成聲波。聲波傳入人耳,使鼓膜振動,就引起聲音的感覺。聲波不僅能在空氣中傳播,也能在液體、固體中傳播。

波是什麼?波是振動的傳播,而振動就意味著物體獲得了能量,所以波在傳播「振動」這種形式的同時,也將物體的能量傳遞出去。波是傳遞能量的一種方式,聲波的傳播實質上是在介質中能量的傳遞。因此,我們在初中學習的時候說聲音可以傳遞能量。

波的衍射

既然講到了波,就不能不提波的一個特點,那就是波的衍射。什麼是波的衍射呢?

波可以繞過障礙物繼續傳播,這種現象叫做波的衍射。如下圖,水波通過橋洞時發生衍射。

實驗表明,只有縫、孔的寬度或障礙物的尺寸跟波長相差不多,或者比波長更小時,才能觀察到明顯的衍射現象。通常的聲波,波長在1.7cm~17m之間,可以跟一般障礙物的尺寸相比了,所以聲波能繞過一般的障礙物,使我們聽到障礙物另一側的聲音,也就是我們平常所說的「聞其聲而不見其人」。

我們平時用超聲波定位,「B超」超聲醫療等等,生活中我們對聲音的利用大部分用的都是超聲波。不知道大家有沒有疑問,我們為什麼要使用超聲波而不用普通的聲波?

其實就是利用了超聲波不易衍射的特點!超聲波的頻率大,波長小,不易衍射。不易衍射也就意味著當超聲波遇到障礙物時,大部分會被反射回來,而普通的聲波頻率小,波長大,易衍射,遇到障礙物的時候反射回來的聲波少,不利於信號的處理。

這下大家知道為什麼了吧。

四、超聲波

人耳最高只能感覺到大約20000Hz的聲波,頻率更高的聲波就是超聲波(supersonic wave)了。超聲波廣泛地應用在多種技術中。

與可聞聲相比,超聲波有兩個特點:一個是可以比較容易地產生大功率的超聲波,一個是它幾乎沿直線傳播。超聲波的應用就是按照這兩個特點展開的。

理論研究表明,在振幅相同的情況下,一個物體振動的能量與振動頻率的二次方成正比。超聲波在介質中傳播時,介質質點振動的頻率很高,因而能量很大。在我國北方乾燥的冬季,如果把超聲波通入水罐中,劇烈的振動會使罐中的水破碎成許多小霧滴,再用小風扇把霧滴吹入室內,就可以增加室內空氣的溼度。這就是超聲波加溼器的原理。對於咽喉炎、氣管炎等疾病,藥品很難通過血流達到患病的部位。利用加溼器的原理,把藥液霧化,讓病人吸入,能夠增進療效。利用超聲波的巨大能量還可以使人體內的結石做劇烈的受迫振動而破碎。

金屬零件、玻璃和陶瓷製品的除垢是件麻煩事。如果把這些物品放入清洗液中,再通入超聲波,清洗液的劇烈振動衝擊物品上的汙垢,能夠很快清洗乾淨。

有人在牆的一側說話,另一側的人也能聽到,這是波的衍射現象。我們已經知道,與障礙物的尺寸相比,波長越短,衍射現象越不明顯。超聲波的頻率很高,波長很短,所以它基本上是沿直線傳播的,可以定向發射。如果漁船載有水下超聲波發生器,它旋轉著向各個方向發射超聲波,超聲波遇到魚群會反射回來,漁船探測到反射波就知道魚群的位置了。這種儀器叫做聲吶(sonar)。聲吶也可以用來探測水中的暗礁、潛艇,測量海水的深度。

根據同樣的道理也可以用超聲波檢測金屬、陶瓷、混凝土製品,甚至水庫大壩,檢查內部是否有氣泡、空洞和裂紋。

有趣的是很多動物具有完善的發射和接收超聲波的器官。以昆蟲為食的蝙蝠,視覺很差,飛行中不斷發出超聲波的脈衝,依靠昆蟲身體的反射波來發現食物。海豚也有完善的「聲吶」系統,使它能在混濁的水中準確地確定遠處小於的位置。

現代的無線電定位器——雷達,質量有幾十、幾百、幾千千克,蝙蝠的超聲定位系統只有幾分之一克,而在一些重要性能上,如確定目標方位的精確度、抗幹擾的能力等,蝙蝠遠優於現代的無線電定位器。深入研究動物身上各種器官的功能和構造,將獲得的知識用來改進現有的設備的創製新的設備,這是近幾十年來發展起來的一門新學科,叫仿生學。

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