声音是人类交流信息的重要工具,是常见的物理现象——声现象。我们日常生活中无时不刻都在与声音打交道:互相交谈、听歌曲......那么,你知道声音是怎样产生和传播的?
一、声音的产生
声现象丰富多彩。我们有两只耳朵,能听到各种各样的声音,与同志们交流可以获得各种知识,听电台广播可以知道天下大事。声音是我们了解周围事物的重要渠道。声音到底是怎样产生的呢?我们可以从不同的方面理解声音产生,或各种各样物体发声时有什么共同特征。首先我们应该了解人是如何发声的,这是最简单的,最普遍的发声情况,我们可以这样做:你把手放在自己喉头的位置上,不说话时有何感觉?当你说“声音”二字,感觉如何?你会觉得,说话时,自己的喉头在振动,不说话时,喉头就不振动,即发声就是靠声带的振动,声带不振动时就没有声音。我们还可以去找一些日常生活中发声的实例,感受一下“振动”。例如,我们把一把尺子平放并压在桌子上拨动时,尺子就会发出“嗡嗡”的声音,此时,我们能明显地看出尺子在振动。夏日,伏在枝头叫个不停的蝉是靠什么、怎样发声的呢?我们说蝉也有自己的发声器官,这一器官位于蝉的腹部,雄蝉有发声器,它求偶时就会鸣叫,雌蝉没有发声器,不会鸣叫,雄蝉发声时,其腹部下有一层薄薄的发音膜,当发音肌收缩时,引起发音肌振动,声音通过共鸣室的放大变得非常大,等等。一切都表明发声物体发声时都有一个共同特征:发声的物体都在振动。由此我们可以得出:“声音是由物体的振动产生的”。也就是一切正在发声的物体都在振动,振动停止,发声也就停止。同样的道理,由于振动可以发声,我们也可以把发声的振动记录下来,需要时再让物体按照记录下来的振动规律去振动,就会产生与原来一样的声音,这样就可以将声音保存下来。像我们使用的磁带和激光唱片等声像器材就是利用这个原理制成的。
既然我们知道声音是如何产生的,即由物体的振动而产生的,那么声音是怎样传到我们的耳朵里的,也就是声音是如何传向远方的?下面我们共同探讨这个问题。
二、声音的传播
探究
提出问题:声怎样从发声的物体传播到远处?
猜想:声要传播出去,可能需要什么东西来作媒介。
进行实验:把两张桌子紧紧地挨在一起,一个人轻敲桌面,并使附近的人不能直接听到敲击声,另一个人把耳朵贴在另张桌子上。
结论:可以听到敲击声
也就是说声的传播需要物质,物理学中把这样的物质称之为介质。但是有时好像没有介质也能听到声音。比如雷声,似乎没有什么东西把它传来。那么雷声的传播真的不需要介质吗?
我们现在设计一个实验来验证一下。
在系小铃铛的线上端穿一个橡皮塞。把橡皮塞塞到烧瓶中,然后摇动烧瓶,可以听到小铃铛的响声。我们取下橡皮塞,向烧瓶中倒少许水,给烧瓶加热,使烧瓶中水沸腾,大量水蒸气涌出后,停止加热,并迅速塞紧橡皮塞。冷却一会儿,待烧瓶中水蒸气大部分凝结,瓶中气体稀薄时再摇动烧瓶,听小铃铛此时的响声。比较两次铃铛响声的强弱,可以明显地感到气体稀薄时响声弱得很。由此可推得,真空不能传声,也就是说没有介质,声音是不能传播的。如月球上由于没有空气,面对面宇航员也只能通过无线电进行讲话交流。
我们说空气不但是传声的介质,而且是重要的介质,没有空气,我们即使面对面说话也听不到对方的声音,也就是说,我们根本就听不到雷声。
我们也都知道:岸边的鱼,听到岸上的响声会被惊走,这说明水可以传声。
从以上实验或事例可以看出:固体、液体、气体都可以传播声音。
既然空气是重要的传声介质,那么声在空气中是怎样传播的呢?现在我们进行探讨。以击鼓为例,击鼓时会看到鼓面会左右振动,鼓面向左振动时压缩左侧的空气,使得这部分空气变密,鼓面向右振动时,左侧的空气这时会变稀疏。随着鼓面不断左右振动,空气中就形成了疏密相间的波动,向远处传播。这个过程很像水波的传播。我们把一个石头扔在一个平静的湖里,水面就会形成一圈一圈的水波,不断向远处传播。因此,声音也以波的形式向外传播,我们把它叫做声波。
声速:我们说话,在这间房内,你马上就能听到声音,那么声音的传播需不需要时间呢?其实自然界中很多现象都能帮助我们得到结论:雷电同时发生,但我们往往是先看到闪电后再听到雷声;你在高山上大喊一声,会听到连绵不断的回声;田径比赛时,在远处先看到发令枪的烟雾,后听到枪声…这些都说明声音的传播需要时间。在物理学中,把声在每秒内传播的距离叫做声速。一般地距离用S表示,它的单位为米(m);速度用V表示,它的单位为米∕秒(m∕s),读作米每秒;时间用t表示,它的单位为秒(s)。那么,v (米∕秒)= S(米)∕t(秒)。声速跟介质的种类有关。一般来说,在固、液、气三种物质中,声音在固体中传播得最快,在气体中传播得最慢。在空气中,一般温度每升高1℃,声速增大约0.6 m/s.15℃时空气中的声速为340 m/s.在实际生活中,我们所说的超音速飞机,就是指速度可以超过340 m/s的飞机。
回声:你有没有这样的经历:野外活动时,爬到山顶,对着群山喊话,会听到很多次声音,好像有人在回应你一样,这种有趣的现象就是回声。回声是由于声音在传播中遇到障碍物反射回来而产生的声现象。你也许会问:为什么只有在郊外才能听到回声,而在室内说话时没有回声呢?其实在室内也有声音的反射,但由于人的耳朵不能区分这几个声音,从发出声音到能听见回声的时间间隔在0.1 s以上时(≥0.1s),人耳才能区分原声和回声。在室内,由于我们离障碍物太近,声音反射回来的时间太短,在0.1 s以内,因此人耳无法区分,也就是如果原声和回声时间间隔不到0.1 s,回声就会同原声混在一起,加强原声。
声音是由物体振动产生的,振动停止,发声也停止。发声体可以是固体,液体或气体。声音是以声波的形式传播出去的,声音传播需要介质(一切气体、液体和固体都是传播声音的介质),真空不能传声(待续)。