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声音的产生与传播
知识点一、声音的产生
1、现象探究:声音是怎样产生的
探究过程
产生的现象
固体
发声
用手指按住自己的喉头两侧后说话、唱歌
发出声音时,明显感觉到声带在震动;停止说话、唱歌,振动停止
用橡皮锤敲音叉,音叉发声后,立即将音叉放入盛满水的杯中
敲音叉时,音叉发出“嗡嗡”声,放入杯里的水中,水面飞溅出水花,说明发声的音叉在振动
液体
发声
从高处落下的一滴水会产生悦耳的“叮咚”声
产生“叮咚”声时,水面会振动,产生波纹
“飞流直下三千尺,疑是银河落九天”的瀑布会产生震耳欲聋的轰鸣声
飞溅的水花,说明水受到很大的冲击,发生了剧烈的振动
气体
发声
小朋友吹的“百鸟争鸣”的哨声,婉转动听
当哨响时,把手放在出气口,会感觉到空气柱振动,如果装入少量水,也会发现水花按声音节奏溅出
说明:有条件的同学还可以多做一些探究,例如:用槌子敲鼓面,使鼓面振动发声;分吹树叶“哗哗”响时,观察树叶在振动;拨动张紧的橡皮筋,让橡皮筋振动发声;把手放在音箱的纸盒上,感受发声的喇叭在振动……
结论:声音是由物体的振动产生的,振动停止,发声也停止。物理学中把正在发声的物体叫做声源。
方法技巧:在探究声音产生的过程中,所应用到的科学研究方法有如下几种:
①转换法:有些物理现象发生时,人们的感觉器官往往无法直接感知或不易观察到,在实验研究中,通常将这些感知不到的现象转换成人们可以感知或容易观察到的现象,这种方法就是“转换法”。如本节中声音是由物体的振动产生的,但很多声音发出时,我们不能直接观察到物体的振动,这是,可运用转换法把物体的振动转换成碎纸屑的跳动、泡沫小球的摆动、乒乓球的跳动、水花飞溅等可见的现象来来体现发声体在振动。
在有的例子中把不易观察的现象,通过具体的方法,使它放大便于观察,所以有人也把这种方法叫做放大法。例如音叉的振动很小,放在水中使水花飞溅,振动就被放大便于观察。
②比较法:通过对不同或有联系的两个对象或物理现象进行比较,从中寻找他们的不同点和相同点,从而进一步揭示事物的本质属性的研究方法。本节中,通过比较物体正在发声与未发声时的区别,从而确定发声物体的共同特征,得出声音产生的条件。
③归纳法:通过对大量现象的对比、分析和总结,找出其中共同点的一种研究方法。如通过归纳大量的发声现象,发现发声的物体都在振动。
2、理解声音的产生应注意的三个问题
①一切正在发声的物体都在振动。固体、液体、气体都可以振动发出声音,如“风声、雨声、读书声,声声入耳”中的“风声、雨声、读书声”分别是由气体、液体、固体的振动发出的声音,所以气体、液体和固体都可以成为声源。
②“振动停止,发声也停止”不能理解为“振动停止,声音也消失”,因为振动停止,只是不再发声,而原来发出的声音仍继续存在并传播。例如,对着高山喊话,停止喊话后,声带不在振动,但是几秒种后,仍会听到回声,就是原来发出的声音继续存在并传播的结果。另外,“振动”中的“振”字不能写成“震”,这也是容易犯错的地方之一。
③物体振动发出的声音不一定能被人听见。例如,人耳听不见蝴蝶翅膀振动发出的声音;当人离声源太远时,人也可能听不见声音等。
拓展:几种常见物体的发声部位
①常见的几种动物,蟋蟀是靠左右翅膀摩擦引起振动而发声的,蝈蝈是靠两前翅摩擦引起振动而发声的;令我们讨厌的蚊子在飞行时,翅膀振动而发声;青蛙靠气囊的振动发声;蝉靠腹部的鼓膜振动发声;鸟靠鸣膜的振动发声。
②乐器:打击乐器(如鼓、锣等)靠鼓面或锣面等的振动发声;弦乐器(如二胡、小提琴等)靠弦的振动发声;管乐器(如长笛、萧等)靠管内空气柱的振动发声。
3、声音的保存方法
振动可以发声。如果将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,就会发出和原来一样的声音,像我们经常玩的八音盒,就是按某一首曲子的旋律,在金属表面上制造不同的突起,上弦后放手,当金属突起转动时,使金属片振动,这样就把记录的声音重现出来。再比如早期机械唱片,当唱片转动时,唱针随着划过的沟槽振动,这样就把记录的声音重现出来。随着技术的进步,我们现在主要用磁带、激光唱盘和存储卡等来记录声音。
知识点二、声音的传播
1、实验探究:声音是怎样向远处传播的?
提出问题:声音是怎样从发声的物体传播到远处的?
猜想和假设:声音要传播出去,可能需要物质来做媒介,也可能不需要物质做媒介,在真空中就可以传播。
进行实验与收集证据:
过程
现象
结论
固体
用一张桌子做实验,一个同学轻敲桌子一端,另一个同学把耳朵贴在桌子另一端的桌面上,堵住另一侧的耳朵
能听到明显的敲桌子的声音
声音能在桌子中传播
液体
找两块石头,在水中敲打碰撞,让别人听撞击声
能够清晰的听见石头撞击的声音
水中的声音是通过水传入空气,又传入人耳的
气体
把两个相同的音叉相隔不远相对放置在桌面上,静止时,两个音叉都不发出声音,用槌敲打右边的音叉
我们会发现左边的音叉也在振动,因为右边的音叉产生的声音通过空气传到了左边的音叉上,引起了左边音叉振动
空气能传播声音
真空
把正在响铃的闹钟放在玻璃罩内,逐渐抽出其中的空气,再让空气进入玻璃罩,注意声音的变化
闹钟的声音越来越小,最后几乎听不到铃声了,空气又进入玻璃罩后,铃声逐渐变大
真空不能传声
结论:声音的传播需要介质,真空不能传声。
注意:①声音的传播需要物质,物理学中把这样的物质叫做介质。
②气体、液体、固体都可以作为声源发出声音,也都可以充当传播声音的介质。
③空气越稀薄传声效果越差,真空不能传声。月球上没有空气,故航天员只能通过无线电交流。
④一般而言,固体传声效果最好,液体次之,气体传声效果最差。
方法技巧:在研究真空不能传声实验时,由于实验操作过程中,不可能把玻璃罩内的空气完全抽出,所以只能通过声音的逐渐变小,推断真空不能传播声音,这种研究物理问题的方法叫实验推理法。
2、类比法理解声波
项目
水波
声波
图示
分析
当我们在水平如镜的水面上,投入一块小石子,水面就会形成一圈一圈的水波,并不断向远处传播
以击鼓为例:鼓面向左振动时压缩鼓左侧的空气,使得这部分空气变密;鼓面向右振动时,又会使鼓右侧的空气变密。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
总结
水波是一圈一圈向外传播的,而声波是以疏密相间的波动向外传播的,我们叫声波,水波和声波具有相似的性质。
方法技巧:
类比法:当我们要学习一种新的现象或一个新的知识点时,要学习的新内容可能看不见、摸不着、不形象直观,只靠空泛的口头描述很难理解,这时我们往往采取一种方法,用一种我们已有的认识,来帮助理解新的知识,而所用的已有知识与新内容有许多类似之处,例如声波我们看不见,但大家都见过往水中扔一块石头,水就一圈一圈荡漾开去,形成水波,声波也是这样,从声源处发出,一圈一圈在空气中传播开来。像这样类比着水波学习声波的方法,就叫做类比法。
知识点三、声速
1、声音传播的快慢
情景再现
现象说明
远处一道闪电划过漆黑的夜空,过一会才会听到雷声
声音的传播需要一定的时间,即声音的传播有一定的速度
在一根较长的钢管一端敲击一下,在另一端的人能听到两次响声
第一次是由钢管传播的,第二次是由空气传播的,表明声音的传播有快慢之分
结论:声音传播的快慢用声速描述,它的大小等于声音在每秒内传播的距离。
2、影响声速的因素
一些介质中的声速v/(m/s)
上表中列举了一些介质中的声速,分析表中数据可知
①声速的大小与介质的种类有关:声音在不同介质中的传播速度一般是v固体>v液体>v气体
②声速的大小与介质的温度有关:声音在空气中的传播速度随气温的升高而变大。
③平常我们讲的空气中的声速,一般指的是340m/s。这个数值应作为常数记住。
口诀:振动发声介质传,遇到真空要阻断;常见介质固液气,固快液中气最慢。
3、回声
①回声:声音在传播过程中,遇到障碍物时,被反射回来的声音。
②能够区分开回声与原声的条件:,人们才能把回声与原声区分开。,回声和原声混在一起,就使原声加强,因此,在屋子里讲话听起来比较响亮,音乐厅中也常用这种原理使演奏的效果更好。
根据s=vt知,人耳要区分回声和原声,人与障碍物间距离至少是s=340m/s×1/2×=17m。
③回声的应用:回声的重要应用是测距,可以测定海洋的深度、冰山的距离、敌方潜水艇的距离。测量原理:,其中t为从发声到接收到回声的时间,v声为声音在介质中的传播速度。
拓展:感知声音的基本过程:从声音的产生、传播、接收三方面理解。声音是由物体(声源)振动引起的,通常在空气中传播使周围空气振动,这种振动引起鼓膜振动,经听小骨及其他组织传给听觉神经使大脑接收信号。由此可知,如果鼓膜、听小骨、听觉神经发生障碍(如鼓膜损坏)而引起的耳聋,人们可以通过其他途径将振动传给听觉神经,如利用骨传导方式,即声音通过头骨、颌骨传到听觉神经。音乐家贝多芬失聪后,就是用牙咬住木棒的一端,另一端顶在钢琴上来听自己演奏的琴声,从而进行创作的。
双耳效应是人们依靠双耳间的音量差、时间差和音色差判别声音方位的效应。
声音的特性
知识点一、音调
1、探究声音的特点
各种声音
特点
老牛、式子发出的声音
低沉、粗壮、声音低
蚊子、老鼠、羊羔发出的声音
尖细、声音高
成年男人的说话声
低沉、粗壮、声音低
女同学的说话声
尖细、声音高
探究归纳:我们接触到的各种声音,有的听起来音调高,有的听起来音调低。声音的音调有高低之分。
2、实验探究:影响音调高低的因素
提出问题:什么因素决定因素的高低?音调与物体振动的快慢是否有关?
设计和进行实验:如图所示,将一把学生用钢尺紧紧地压在桌面上,分别将钢尺的1/4、1/2、3/4长深处桌面边缘,用相同的力拨动伸出桌外的部分,使其震动的幅度大致相同,听它振动发出的声音,同时注意钢尺振动的快慢。
实验结果记录如下表所示
钢尺振动部分的长度
振动快慢
声音高低
钢尺长度的1/4
快
高
钢尺长度的1/2
较慢
较低
钢尺长度的3/4
更慢
更低
分析和论证:比较三种情况下钢尺振动的快慢和发声的音调。发现钢尺伸出桌面边缘的长度越长,钢尺振动的越慢,钢尺发出声音的音调越低。
结论:物体振动的快,发出声音的音调就高,振动得慢,发出声音的音调就低。
注意:本实验中,改变钢尺伸出桌面的长度,再次拨动时,应保证两次钢尺振动的幅度大致相同是控制变量的具体体现。
3、频率
物体每秒内振动的次数叫做频率。频率的单位是赫兹,简称赫,符号为Hz。物体在1s的时间里如果振动100次,频率是100Hz。频率是用来表示物体振动快慢的物理量。物体振动越快,频率越高;振动越慢,频率越低。
4、音调与频率的关系
频率决定着音调的高低。频率越高,音调越高;频率越低,音调越低。如图所示,甲乙两个音叉振动频率不同。在相等的时间t0内,甲震动了3次,乙振动了9次,甲的频率低,音调低;乙的频率高,音调高。从波形图上可以看出,音调高的波形密集,音调低的波形比较稀疏。如图所示,用纸片接触齿数不同的齿轮,纸片发出声音的音调高低是不相同的,齿轮的齿数越多,纸片振动的频率高,纸片发出声音的音调越高。
5、理解音调应注意的四个问题
①声音在介质中的传播速度与声音的振动频率无关,在同一介质中,频率不同的声音传播速度都相同。
②振动频率的高低跟发声体的形状、尺寸和所用的材料有关。一般情况下,发声体的长度越长,振动的越慢,频率越低;发声体的长度越短,振动的越快,频率越高。
③一般来说,儿童说话的音调比成年人高,女人说话的音调比男人高。我们平时所说的“男低音”“女高音”中的“高”“低”指的都是音调。
④声音的波形可以在示波器上显示出来,音调高的声音,波形密一些;音调低的声音,波形疏一些。
拓展:弦乐器音调的高低取决于弦的粗细、长短和松紧,弦越细、越紧、越短,音调越高。管乐器音调的高低取决于所含空气柱的长短,长空气柱的振动产生的音调低,短空气柱的振动产生的音调高。打击乐器以鼓为例,鼓皮绷得越紧,振动的越快,音调就越高。
6、超声波和次声波
人能感受到的声音频率有一定的范围。多数人能够听到的频率范围大约从20Hz到20000Hz,通常我们把这一频段间的声叫做声音。人们把高于20000Hz的声叫做超声波,把低于20Hz的声叫做次声波,超声波和次声波人类都听不见,但有些动物能够听见。如图所示,声音、超声波、次声波统称声。
注意:
①超声波和次声波也是由物体的振动产生的,只是振动的频率不同。
②超声波和次声波的传播也需要介质,在真空中不能传播。
③在相同条件下,超声波和次声波的传播速度与人耳能听听到的声音的传播速度相同。
拓展:发生地震、海啸、火山喷发、台风、核爆炸时都会伴有次声波,有些动物能发出超声波,如蝙蝠、海豚等,有些动物能接收到次声波,如大象等。
知识点二、响度
1、响度:不同的声音,人耳感觉到的强弱是不一样的。物理学中,声音的强弱叫做响度。我们生活中常说的“音量”,指的就是响度,所以响度是指声音的大小。
2、实验探究:响度与什么因素有关?
提出问题:什么因素决定声音的响度呢?
设计实验与制定计划:如图所示,敲击音叉使之发出声音的响度不同,观察音叉振动的情况。
实验器材:细线、乒乓球、音叉、铁架台、橡皮锤
进行实验与收集证据:①用细线拴住乒乓球,悬挂在铁架胎上。
②用橡皮踹轻轻敲击音叉使它振动,听一听音叉发出的声音。如图所示,让音叉臂的外侧接触乒乓球,观察乒乓球的跳动情况。
③用橡皮锤用力敲击音叉,在听一听音叉发出的声音,同时让音叉臂的外侧接触乒乓球,观察乒乓球的跳动情况。
分析与论证:分别用不同的力敲击时,乒乓球被弹开的幅度不同,用力越大,乒乓球被弹开的幅度越大,声音的响度也越大。
结论:声音的响度与物体振动的幅度有关,物体振动的幅度越大,产生声音的响度越大。
3、振幅:物理学中用振幅来描述物体振动的幅度。物体的振幅越大,产生声音的响度越大。如图所示。
注意:试验中用不同的力敲击音叉,使音叉的振幅不同。振幅的大小通过乒乓球弹起的高度反映出来,这里用了转换法(或放大法)。
4、影响响度的因素有两个:一是振幅,二是距离发声体的远近。距离发声体越远,声音越分散,能量越小,振幅越小,听到的声音越小,正如“近听似炸雷,远听似蚊声”。如果用一个波形图表示,它的形状如图所示。
拓展:声音是从发声体(声源)向四面八方传播的,越到远处越分散,能量越小,振幅越小,听到的声音越小,所以增大听到声音响度的一个办法是减少声音的分散,如在开阔的地方讲话时,用一个喇叭形的传声筒,能传得更远。医生用的听诊器利用管状物传递声波,减少声音的分散,增强传声效果。
知识点三、音色
1、探究不同发声体的音色
下面分别是音叉、钢琴与长笛发出的C调1(do)的波形图,用计算机播放着几个声音片段,边听边比较它们的波形有何异同。
探究归纳:观察上面的声音波形可以知道,不同的物体发出的声音,即便音调和响度相同,波的形状也不同,即音色不同。
2、音色:声音的品质叫做音色,又叫音品,它反映了每个物体发出的声音特有的品质。不同发声体所发出声音的音色不同。不同的物体发出的声音,即便音调和响度相同,但根据音色还是能够分辨出他们的不同。“闻其声而知其人”也就是因为每个人都有自己的音色,听到说话声便可分辨是谁。
3、音色的决定因素:音色是由发声体的材料、结构等因素决定的。
注意:①音色是我们分辨不同发声体的依据,根据声音辨别不同乐器,就是因为各种乐器的音色不同。
②观察声音波形图,从波形的疏密程度来认识音调的高低,从波形的高低来认识响度的大小,从波形的形状来认识音色。
4、比较音调、响度、音色的区别
音调
响度
音色
物理意义
指声音的高低(声音的粗细)
声音的强弱(声音的大小)
声音的特色、品质
决定因素
音调由发声体的振动频率决定,不同发声体可以通过调整发生频率来发出相同音调的声音
响度由发声体的振幅和距发声体的远近决定,在与发声体的距离一定时,可以调整振幅以发出相同响度的声音
决定音色的重要因素是发声体的材料、结构,当发声体的材料和内部结构改变时,音色也会随之变化
日常描述
①同一音阶中1、2、3、4、5、6、7音调逐个升高;②声音的尖细指音调高,粗沉指音调低;③唱歌时“这一句太高,我唱不上去”这里的“高”指音调高
①“你的声音太小,我们听不清”这里的“小”指响度小;②震耳欲聋指响度大
“闻其声而知其人”指每个人的音色不同,是区分发声体的依据
注意
音调与响度毫无关系,是根本不同的两个特性,音调高地声音,响度不一定大,响度大的声音,音调不一定高,音色与音调、响度也没有任何关系。
声的利用
知识点一、声与信息
1、声可以传递信息
场景研讨:请你仔细想想,一下场景都说明了什么问题?
①听到远处隆隆的雷声,可以判断一场大雨可能即将来临;②铁路工人用铁锤敲击铁轨,会从异常的发声中发现松动的螺栓;③医生用听诊器通过听声音来了解病人体内某些器官的健康状况;④古代雾中航行的水手通过号角的回声判断悬崖的距离;⑤利用接收到的次声波来判断地震及台风的位置等。
共同点:当人们感知到不同的声音时,就会传递给人们不同的信息。
归纳总结:声可以传递信息。
2、回声定位
①蝙蝠外出活动、觅食的方法
科学家发现,蝙蝠在飞行中,喉内能够产生超声波,这种超声波通过嘴巴和鼻孔发射出来,遇到物体,便被发射回来,再由蝙蝠的耳朵接收,根据回升到来的方位和时间,就能正确判断目标的位置了。于是,是食物就捕捉,是障碍物便躲开,它们甚至还能通过反射回来的声波判断出是蛾子还是苍蝇呢。人们称这种根据回声探测目标的方法为“回声定位”。
②“回声定位”原理的应用
采用“回声定位”原理制成的超声导盲仪可以探测前进到路上的障碍物,以帮助盲人出行。倒车雷达更是在汽车上得到了广泛的应用。科学家根据回声定位的原理,发明了声呐,利用声呐系统,人们可以探知海洋的深度,绘出水下数千米的地形图。捕鱼时渔民利用声呐来获得水中鱼群的信息。
3、“B超”原理
中医诊病通过“望、闻、问、切”四个途径,其中“闻”有听的意思,这是利用声音诊病的最早例子。
用超声波检查身体时,由于人体各部分器官对声波的反射情况不同,利用计算机、图像显示设备,可以清楚地将人体内部器官的结构显示在屏幕上,这就是常说的“B超”。医生可以利用B超为孕妇检查胎儿的发育情况。
拓展:超声波探伤
超声波探伤是利用超声波能透入金属材料的深处,并由一界面进入另一界面时,在界面边缘发生反射的特点来检查零件缺陷的一种方法,当超声波来自零件表面由探头通至金属内部,遇到缺陷与零件底面时就分别发生反射波束,在荧光屏上形成脉冲波形,根据这些脉冲波形来判断缺陷位置和大小。
注意:①声和声音的区别:声的概念比较广,包括声音、超声波、次声波等;声音的概念相对而言要窄的多,它仅指人耳能感觉到的那部分声。
②声传递信息事例的特征是通过声可以了解什么事。
知识点二、声与能量
1、实验探究:声与能量
实验器材
一端去盖、另一端扎有小孔的罐头盒,橡皮膜,蜡烛
实验步骤
如图所示,将罐头盒的一端蒙上橡皮膜,并用橡皮筋扎紧,另一端放一支点燃的蜡烛,对着烛焰敲击橡皮膜,观察烛焰的情况。
实验现象
敲击橡皮膜时,橡皮膜发声,观察到烛焰随着敲击橡皮膜而发生摇摆
实验结论
声能传递能量
2、声波传递能量在生产、生活中有很多的应用
①超声波去污:超声波能使液体剧烈震动,液体剧烈振动时能产生很多小气泡,小气泡瞬间破裂,破裂时能产生很强的微薄冲击。这些微波冲击不间断地冲击器件上各个角落的表面,从而达到清洗的目的。
②超声波除尘:在冒黑烟的烟囱里放一个超声波除尘器,除尘器里发出的超声波频率很大,当超声波发射到烟囱中时引起烟尘随着他的振动而剧烈振动,短时间内,烟尘相互碰撞,凝聚成较大的颗粒,沉到烟囱底部。
③超声波碎石:医生向人体内有病变的地方,如长有结石的地方,发射超声波,超声波可把结石击成碎片,甚至极细小的粉末,在药物的疏导下,碎片、粉末可以顺畅的排出体外。
④次声武器:由于次声波传播的路程远、穿透能力强,且较低频率的次声波达到一定强度时可以致人死亡,所以在科技发达的今天,次声波可以被作为武器。
拓展:①超声波焊接:由于超声波有热效应,所以人们研制了超声波焊接机,利用这种焊接机可以焊接塑料制品、缝制化纤纺织品等。
②超声波育种:经过超声波处理的种子可以提前发芽,且抗病性强。
噪声的危害和控制
知识点一、噪声的来源
1、乐音与噪声
有规律的、好听悦耳的声音叫乐音,如图所示,小男孩演奏的二胡声是乐音。无规律的、难听刺耳或污染环境的声音叫噪声,如图所示
2、噪声的界定
①从物理学角度看噪声
声音
特点
飞机起飞、降落时的轰鸣声
振动无规则、难听、刺耳