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初中物理·八年级上册

  1. 01测量、估读与运动的描述
  2. 02速度、平均速度与测量实验
  3. 03声音的产生、传播、特性与利用
  4. 04温度、物态变化与生活中的热现象
  5. 05光的直线传播、反射与平面镜成像
  6. 06光的折射、色散与光现象辨析
  7. 07透镜及生活中的光学仪器
  8. 08凸透镜成像规律、眼睛与视力矫正
  9. 09质量、密度与物质属性
  10. 10密度测量、密度计算与实际应用
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课程物理初中物理·八年级上册声音的产生、传播、特性与利用

声音的产生、传播、特性与利用

上课铃一响,你还没看见老师走进教室,就已经知道该回座位了;隔壁同学轻轻拨动橡皮筋,你不仅能听见声音,还能判断它是绷得紧还是松。声音没有颜色,也抓不住,却能把“发生了什么”送到耳朵里。它到底从哪里来,又靠什么走过这段距离?

声音从哪里来:先找正在振动的物体

把手指轻轻放在喉咙上,持续发出“啊”的声音,你会感到喉部在快速颤动;停止发声,颤动也随之停止。再拨动钢尺露出桌边的一端,钢尺来回摆动,同时发声;按住钢尺,声音很快消失。不同物体发声时都藏着同一个动作:振动。

物体在平衡位置附近所做的往复运动叫作振动。正在发声的物体叫作声源。人的声带、扬声器的纸盆、鼓面和琴弦,都可以成为声源。由大量现象归纳可知:声音是由物体的振动产生的。

麻烦在于,有些振动太快、幅度太小,眼睛根本看不清。敲响音叉后把它靠近悬挂的小球,小球会被反复弹开;让叉股轻触水面,还会激起水花。小球和水花并不是声源,它们只是把音叉微小的振动“放大”给我们看。

音叉振动弹开小球并激起水花的实验示意

实验中把不易直接观察的音叉振动转化为小球摆动或水花飞溅,这叫转换的思路。观察到小球运动,只能说明与它接触的音叉在振动;不要把“小球被弹开”误写成声音产生的原因。

现在想一想:人说话时,嘴边的空气在动,声带也在动,谁才是声源?答案是声带。声带的振动先使周围空气发生疏密变化,空气再把这种变化传向外界。空气参与传播,却不是人的发声体。

“一切正在振动的物体都一定能被人听见吗?”也不一定。物体振动可以产生声音,但声音还要能传播到耳朵,频率也要落在人耳可以听到的范围内,而且响度要足够。于是,找到声源只是第一关,下一关是声音怎样到达我们。

声音怎样传来:介质在接力,物质没有远行

同桌用手指轻敲桌面,你在空气中能听见;把耳朵贴在桌面上,往往听得更清楚。游泳时,潜在水里也能听到岸边或水中的声音。这些现象说明,气体、液体和固体都能传播声音。能够传声的物质叫作介质。

可以把传声过程想成一排人依次传递一个动作:声源先使附近介质振动,附近介质又影响更远处的介质,振动和信息便逐步向外传开。这个类比到这里就该收住了——空气微粒主要在原位置附近振动,并不是某一团空气从音叉一路跑进耳朵。

把这段“接力”画开,就会看到介质中有疏密相间的区域不断向前推进。图中的粒子只在各自平衡位置附近往复振动,箭头表示声波传播的方向;不要把疏密变化向前传播,误看成粒子整体跟着声波远行。

声波传播时介质粒子振动与疏密区域示意

下面的玻璃罩实验把关键条件拆开了:电铃始终在工作,逐渐抽出罩内空气时,看到它仍在振动,听到的声音却逐渐减弱。由于真实实验很难把空气抽成绝对真空,我们是在现象趋势和其他证据的基础上推断:真空不能传声。

这就解释了一个看似热闹的太空场景:两名航天员即使面对面敲击舱外设备,也不能让声音直接穿过舱外真空传到对方耳朵里。他们需要借助无线电通信;若敲击造成的振动能沿相连的固体结构传递,那又是另一条有介质的路径。

声音传播需要时间。在常温空气中,声速约为 340 m/s340\ \text{m/s}340 m/s。声速会随介质种类和温度等条件改变,所以不能把“340 m/s”当成任何地点、任何介质中的固定值。雷雨天先看到闪电、后听到雷声,正是因为光传播得远比声音快。

小问题: 你对着距离自己 170 m170\ \text{m}170 m 的山崖喊一声,若声音在空气中的速度取 340 m/s340\ \text{m/s}340 m/s,大约多久后听到回声?

先别急着代公式。把声波的路线画成“发出—反射—接收”的折返线:人与山崖之间的距离只是一程,而计时覆盖了来回两程。

回声测距中声波发出、反射与接收的往返路径

声音从人到山崖再返回,路程是 2×170 m2\times170\ \text{m}2×170 m,所以

t=sv=340 m340 m/s=1 s。t=\frac{s}{v}=\frac{340\ \text{m}}{340\ \text{m/s}}=1\ \text{s}。t=vs​=340 m/s340 m​=1 s。

注意,这是一个很容易漏掉的“往返”。若题目给的是人与障碍物之间的距离,回声实际传播路程是这段距离的两倍。反过来,用回声测距离时,若记录到往返时间 ttt,距离应写成 s=vt2s=\frac{vt}{2}s=2vt​。

下面把山崖和海底都放进同一个实验台。每次先判断介质和声速,再观察声波走完往返路程,最后由总时间反推单程距离;如果忘记除以 2,反馈会直接指出错在“把往返路程当成距离”。

同样是声音,为什么有高低、强弱和“身份”

一根橡皮筋先松松地拨,再绷紧后拨,第二次听起来更“尖”;同一个鼓轻敲和重敲,声音的“高低”变化不一定明显,却会有强弱差别;钢琴和二胡即使奏同一个音,你仍能分辨是谁。这三组经验分别对应音调、响度和音色。

先看一组容易混淆的振动图:横向挤得更密,说明相同时间内振动次数更多,对应频率和音调的变化;纵向起伏更高,说明振幅更大,对应响度的变化。两种变化可以分别发生,不能见到波形“变大”就说音调升高。

频率音调与振幅响度的振动图对照

音调:看振动快慢

音调表示声音的高低。声源每秒振动的次数叫作频率,单位是赫兹,简称赫,符号是 Hz。物体每秒振动 200 次,频率就是 200 Hz。一般来说,声源振动越快,频率越高,音调越高;振动越慢,频率越低,音调越低。

拨动伸出桌面的钢尺时,缩短伸出长度,钢尺通常振动得更快,声音更高;在其他条件相近时,琴弦越短、越细、绷得越紧,通常越容易发出高音。这里比较的核心始终是频率,不是“用力大小”。

先拖动频率,观察同一时间内波形的疏密,再判断音调怎样改变。

人耳能听到的频率范围会因年龄和个体而不同,通常把约 20 Hz20\ \text{Hz}20 Hz 到 20000 Hz20000\ \text{Hz}20000 Hz 作为参考范围。频率高于 20000 Hz20000\ \text{Hz}20000 Hz 的声叫超声波,低于 20 Hz20\ \text{Hz}20 Hz 的声叫次声波。听不见不等于不存在,更不等于没有影响。

响度:先看振幅,也要看距离

响度表示声音的强弱,也就是我们主观感到的“响不响”。振动物体偏离平衡位置的最大距离叫作振幅。在其他条件相同时,声源振幅越大,产生声音的响度通常越大。重敲鼓面比轻敲时鼓面振幅更大,所以听起来更响。

但不要把响度只归给振幅。你离声源越远,听到的声音通常越弱;声音分散、遮挡、反射以及耳朵的感受情况也会影响听感。说“振幅越大,响度一定越大”时,应补上“其他条件相同”。

在下面的实验台里,先固定观察距离,只改变振幅;再固定振幅,把观察位置移远。两轮对照能把“声源怎样振动”和“接收者在哪里”分开,正好检验刚才那句“其他条件相同”。

音色:声音的“身份线索”

音色反映不同发声体声音的特色。不同材料、结构和发声方式会使振动情况不同,因此钢琴、二胡和人的声音各有特点。音色帮助我们“听声识人”“听声辨乐器”。

现在判断一句话:“女生的声音通常比男生高,所以女生说话一定更响。”哪里错了?“高”说的是音调,常与频率有关;“响”说的是响度,与振幅、距离等有关。音调高不代表响度大。这正是声现象中最常见的概念串台。

听觉特征回答的问题主要关联量典型表达
音调声音高还是低频率尖细、低沉、高音、低音
响度声音强还是弱振幅、距离等响亮、轻声、震耳
音色是谁或什么在发声材料、结构、发声方式等听声辨人、辨乐器

“调大电视音量”主要改变响度,不是提高音调;“男低音放声歌唱”可能音调低而响度大;“闻其声知其人”主要利用音色。先抓题干中的高低、强弱或身份,再选择概念。

声音能做什么:传递信息,也能传递能量

医生用听诊器听心肺声音,是从声音中获取身体状态;蝙蝠发出超声波并接收回声来判断目标位置;船上的声呐向水中发声,再根据回声判断水下目标或深度。这些应用的共同点是声音传递信息。

声呐为什么不能直接照搬到月球表面使用?先回到传播条件:月球表面近似真空,缺少传声介质。声学应用再先进,也不能绕开“声音传播需要介质”这条底线。

声音还可以传递能量。超声清洗能使清洗液产生强烈作用,帮助剥离物体缝隙中的污垢;医学上可利用聚焦超声等方式作用于特定部位。这里不要写成“超声波只传信息”或“声源的物质跑过去做功”,真正传播的是声音所携带的能量。

把应用按主要目的放在一起比较更清楚:听诊和声呐要从回声或声音特征中获得信息,超声清洗则要让声能对污垢产生实际作用。判断“信息还是能量”时,看声音到达后主要帮助人知道了什么,还是对物体产生了什么作用。

声音传递信息与传递能量的应用对照

你可能发现,同一项技术有时既传信息也有能量。超声检查主要利用回声获得信息;超声清洗主要利用声能产生作用。区分时看技术的主要目的,不要只看它们都带“超声”两个字。

不想要的声音:从三道关口控制噪声

先从振动本身看。物理学中,发声体做规则振动时,波形往往会有规律地重复;发声体做无规则振动时发出的声音属于噪声,它的波形杂乱、没有稳定的重复规律。若给出振动图像,可以比较各段形状是否重复:规则波形通常对应规则振动,无规则波形则是物理学角度辨认噪声的重要线索。

不过,只看波形还不能回答生活中的全部问题。午休时,走廊里欢快的歌声可能成了噪声;在音乐会上,同一段旋律却是表演内容。从环境保护的角度说,凡是妨碍人们正常休息、学习和工作的声音,以及对人们要听的声音产生干扰的声音,都可看作噪声。可见,两个角度并不矛盾:物理学角度关注振动是否规则,环境保护角度还要看声音是否干扰了人们的正常活动。

噪声会影响休息和学习,长时间处在较强噪声环境中还可能损害听力、影响健康。声音强弱的等级常用分贝表示,符号是 dB。教材把 0 dB0\ \text{dB}0 dB 作为人刚能听到的最微弱声音的参照。教材常以 90 dB90\ \text{dB}90 dB、70 dB70\ \text{dB}70 dB、50 dB50\ \text{dB}50 dB 分别说明保护听力、学习工作、休息睡眠对噪声控制的不同要求。这些是教学中的近似参照;听力损伤还与持续时间等因素有关,低于 90 dB90\ \text{dB}90 dB 也不意味着长时间接触一定安全,也不要把 0 dB0\ \text{dB}0 dB 误认为“完全没有声音”。

遇到噪声问题,最有效的思路不是背器材名称,而是沿传播过程找三道关口:

下图把三道关口放在同一条“声源—传播路径—接收者”链条上。先看措施直接改变了哪一环,再给它分类;同一场景可以同时使用多种措施,但每项措施都有自己直接作用的位置。

噪声在声源、传播过程与人耳三处的控制措施

  1. 在声源处减弱。 给机器加减振装置、及时检修车辆、把手机调成静音,都是先让噪声少产生。
  2. 在传播过程中减弱。 关闭门窗、使用隔声材料、设置声屏障、合理种植绿化带,都是阻断或削弱传播。
  3. 在人耳处减弱。 在确有需要且符合安全规范时佩戴耳塞或护耳器,是保护接收者。

如果题目问“摩托车安装消声器属于哪一环节”,先问它装在哪里、改变了谁:消声器直接作用于声源,所以属于声源处控制。道路旁声屏障位于声源和居民之间,属于传播过程中控制。工人戴护耳器作用于接收者,属于人耳处控制。

跨学科实践:制作隔音房间模型

需求是制作一个罩住小闹钟的“房间模型”,让模型外测得的声音尽量小,同时兼顾用料和成本。可用纸盒作主体,选择瓦楞纸、棉布、软泡沫等安全材料作内衬,并尝试“硬质外壳+柔软内衬”或错开接缝的多层结构。

测试时先测没有模型遮挡的声音,再依次测空纸盒和不同结构。每次都使用同一声源,保持铃声、音量、声源位置、测量仪器与模型的距离和方向、周围环境基本相同;若用手机分贝工具,只作同一设备上的相对比较,不把读数当成专业仪器的精确值。每种结构重复测量并记录结果。

最后评价隔声效果、结构稳定性、材料用量、接缝漏声和安全性。若接缝处漏声明显,就改进密封;若用料很多却改善很小,就更换材料组合。这个“提出需求—设计制作—控制条件测试—依据证据改进”的过程,正是在用物理、工程和数据共同解决问题。

控制噪声也要尊重真实情境。为了听不见警报而长期戴着完全隔音的耳塞并不安全;在道路、实验室或生产场所,应同时考虑降低噪声和保留必要提示音。

概念讲清以后再看中考题,会发现得分点往往不是复杂计算,而是条件是否写全:声音由物体振动产生;传播需要介质,真空不能传声;音调、响度、音色各回答一个不同问题;噪声控制要准确指出环节。把现象翻译成这些条件,比只背关键词更可靠。

章末整理

  • 发声体一定在振动;看不清微小振动时,可借助小球、水花等把现象放大。
  • 声音可以在固体、液体和气体中传播,真空不能传声;常温空气中的声速约为 340 m/s340\ \text{m/s}340 m/s。
  • 音调主要与频率有关,响度与振幅、距离等有关,音色与发声体的材料、结构和发声方式等有关。
  • 声音既能传递信息,也能传递能量;超声、回声等应用仍必须满足传声条件。
  • 控制噪声可从声源、传播过程和人耳三个环节入手。

下一章里,我们会从“听见”转向“感到冷热”。温度计怎样把冷热感觉变成可靠读数,冰、水和水蒸气又怎样互相转化?同样要靠观察、实验和条件判断来回答。

课后练习

1. 看见振动的方法

敲响音叉后,直接观察很难看清叉股的振动。下列做法最能帮助判断音叉正在振动的是( )

A. 把音叉放在阳光下 B. 让叉股轻触悬挂的小球 C. 把音叉放得离人更远 D. 用布包住音叉

答案:B。 发声的音叉轻触小球时,小球被反复弹开,把音叉微小而快速的振动转化为明显运动。A 没有放大振动,C 会使听到的声音变弱,D 还可能抑制振动,都不能完成这一观察任务。

2. 玻璃罩里的电铃

逐渐抽出玻璃罩内的空气,电铃声音越来越小,但仍能看到铃锤运动。由此最合理的结论是( )

A. 空气越少,电铃振动越慢 B. 声音只能在空气中传播 C. 声音传播需要介质,真空不能传声 D. 声音在真空中的速度最小

答案:C。 实验中声源仍在振动,主要变化是罩内空气越来越少,听到的声音随之减弱;结合趋势可以推断真空不能传声。固体和液体也能传声,所以 B 错;既然真空不能传声,就不能讨论声音在真空中的传播速度,D 错。

3. 三个声音特性

将下列现象与主要利用的声音特性对应起来:①男低音放声歌唱;②听电话能辨认出朋友;③调小收音机音量。

答案: ①“低”描述音调,“放声”描述响度大;②主要利用音色辨认说话者;③主要减小响度。一个情境可以同时出现多个特性,判断时要对准题目中的具体词语,不能只看到“男低音”就忽略“放声”。

4. 钢尺实验

把钢尺一端压在桌面上,另一端伸出桌边。保持拨动幅度大致相同,先让钢尺伸出较长,再缩短伸出长度并拨动。第二次钢尺振动更快。第二次声音的音调怎样变化?判断依据是什么?

答案: 第二次音调升高。缩短伸出长度后,钢尺振动更快,即频率增大;在其他条件相近时,频率越高,音调越高。题目已说明拨动幅度大致相同,是为了避免把响度变化混入对音调的判断。

5. 回声测距

一艘船向水下发出声波,经过 0.40 s0.40\ \text{s}0.40 s 收到海底反射回来的信号。若声波在水中的速度取 1500 m/s1500\ \text{m/s}1500 m/s,海水深度是多少?

答案:300 m300\ \text{m}300 m。 0.40 s0.40\ \text{s}0.40 s 是声波从船到海底再返回的总时间,总路程为 s=vt=1500 m/s×0.40 s=600 ms=vt=1500\ \text{m/s}\times0.40\ \text{s}=600\ \text{m}s=vt=1500 m/s×0.40 s=600 m。海水深度只有单程路程,因此 h=s2=300 mh=\frac{s}{2}=300\ \text{m}h=2s​=300 m。易错点是忘记除以 2;列式前应先画出“下去—返回”的路径。

6. 声的利用

下列应用主要利用声音传递能量的是( )

A. 医生用听诊器听心音 B. 声呐探测鱼群 C. 超声清洗眼镜 D. 根据雷声判断雷雨远近

答案:C。 超声清洗利用声能对清洗液和污垢产生作用,主要体现声音传递能量。听诊、声呐探测和根据雷声判断远近,主要是从声音中获得信息。

7. 噪声控制的环节

城市高架道路采取了三项措施:限制车辆鸣笛、道路两侧安装声屏障、附近施工人员佩戴护耳器。请分别指出它们主要属于哪一种噪声控制途径。

答案: 限制鸣笛是在声源处减弱噪声;安装声屏障是在传播过程中减弱噪声;佩戴护耳器是在人耳处减弱噪声。判断时看措施直接作用于“声源—传播路径—接收者”中的哪一环,不要按器材名称死记。

8. 设计一个家庭小实验

现有橡皮筋、纸盒和直尺。请设计一个实验,探究橡皮筋发声音调与橡皮筋松紧程度的关系,写出需要控制的条件、操作和预期现象。

参考方案: 把同一根橡皮筋架在纸盒上,先保持有效振动长度不变并轻拨,听其音调;再把橡皮筋拉得更紧,仍保持有效长度和拨动方式尽量相同,重复拨动并比较。需要主要控制橡皮筋材料和粗细、有效长度、拨动位置等条件;只改变松紧程度。预期橡皮筋绷得越紧,振动频率越高,音调越高。为使结果更可靠,可重复多次。不要把“拨得更用力”作为改变松紧程度的方法,因为它主要会改变振幅和响度。

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