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八年级 上册

物 理

义 务 教 育 教 科 书

WULI

(4)

同学们,从现在开始,这本书将成为你们的好朋友。

本书是按照教育部2011年修订的《义务教育物理课程标准》编写的,它倡 导探究式的学习,强调科学与实际、科学与社会的联系。因此,我们又给这本 书取了一个名字:

《探索物理》

为了便于同学们对物理知识海洋的探索,《探索物理》设计了以下栏目。

实验 同学们自己动手、动脑,探究、学习物理知识,体会科学研究的方法。

演示 由教师通过实验展示物理现象、探究物理规律等。

想想做做 以动手为主的学习活动。通过简单易做的小活动,你可以体会 生活中各种现象蕴含的物理道理。

想想议议 以思考、讨论为主的学习活动。在对问题进行讨论时,既要勇 于发表自己的观点,又要倾听其他同学的看法。

科学世界 扩展性内容,介绍物理知识在更广泛领域的应用,扩大同学们 的视野。

STS STS是Science-Technology-Society(科学·技术·社会)的简称,介绍和

探讨科学、技术与社会之间相互关联的问题。这部分也是扩展性内容。

扩展性实验 主要展现以传感器、电脑等仪器自动记录和处理数据的实 验,供有条件的学校选做。

动手动脑学物理 课内或课后的学习活动,包括问题讨论、练习、实验、

社会实践以及小论文写作等。

学到了什么 这一章所学主要内容的梳理、总结,供同学们自己总结时参考。

设置这些栏目的目的,是希望同学们在参观、认识物理世界这个广阔、绚丽的 科学殿堂时,学到科学知识,体验、领悟科学的方法,逐步树立科学的价值观。

祝同学们在新的学期里取得更大的成绩。

致同学

(5)

致同学

1

科学之旅

2

第一章 机械运动

9

第1节 长度和时间的测量 10

第2节 运动的描述 16

第3节 运动的快慢 19

第4节 测量平均速度 23

第二章 声现象

26

第1节 声音的产生与传播 27

第2节 声音的特性 32

第3节 声的利用 38

第4节 噪声的危害和控制 42

第三章 物态变化

46

第1节 温度 47

第2节 熔化和凝固 53

第3节 汽化和液化 58

第4节 升华和凝华 64

目录

(6)

第四章 光现象

68

第1节 光的直线传播 69

第2节 光的反射 73

第3节 平面镜成像 77

第4节 光的折射 81

第5节 光的色散 85

第五章 透镜及其应用

89

第1节 透镜 90

第2节 生活中的透镜 94 第3节 凸透镜成像的规律 97

第4节 眼睛和眼镜 100

第5节 显微镜和望远镜 103

第六章 质量与密度

107

第1节 质量 108

第2节 密度 113

第3节 测量物质的密度 117

第4节 密度与社会生活 120

(7)

沙滩上,和煦的阳光下,一个孩子在无忧无虑地玩耍。他时而凝望大海,

时而低下头去在沙滩上捡着什么。忽然他向旁边跑去,拾起了一块光滑的卵 石;忽然他又向另一处跑去,捡起了一枚漂亮的贝壳 ……孩子在沙滩上跳着、

跑着,一会儿为发现了美丽的贝壳而欣喜若狂,一会儿又为拾到的石子不那么 奇特而懊恼、沮丧。沙滩上留下了孩子一串串的脚印。

孩子捧着五颜六色的卵石和漂亮的贝壳,向远处的大海望去,心里在想,

这波涛汹涌的大海里蕴藏着怎样一个世界呢?也许海底的石子更漂亮,也 许……

是呀,大海究竟是怎样一个世界?这需要我们去发现。物理学是个知识的 海洋,它更需要我们去探索。在对知识海洋的探索中,我们不是正像上面的孩 子一样吗?我们发现了漂亮的卵石和贝壳,并且为此而欢欣鼓舞,我们更渴望 探知波涛汹涌的大海!让我们扬起理想的风帆,乘上《探索物理》这叶小舟,

开始我们既充满乐趣又不乏艰辛的科学之旅吧!

科学之旅

(8)

有趣有用的物理

物理学(physics)是一门十分有趣的科学,它研究声、光、热、力、电等 形形色色的物理现象。让我们先观察几个有趣的实验,感受一下其中的奥妙。

水沸腾后把烧瓶从火焰上拿开,水会停止沸腾。迅速塞上瓶塞,把烧瓶倒 置并向瓶底浇冷水,如图 1。

1. 如图 3,用放大镜看自己的

指纹,再用放大镜看窗外的物体。

图2 小“人”为什么会 随着音乐起舞?

图1 停止沸腾的水,

浇上冷水后会怎样?

用硬纸片把一个音箱糊起来,做成一个“舞台”,台上的小人在音乐声中 翩翩起舞,如图 2。

上面的演示有趣吗?让我们亲自做几个有趣的小实验吧。

演 示

想想做做

图3 透过放大镜看,物体总是放大的吗?

(9)

这些现象不仅有趣,而且都包含一定的科学道理。随着学习的深入,我们 会逐渐弄清其中的奥秘。

物理学不仅有趣而且非常有用。例如,我们的生活越来越离不开“电”,

从电灯和琳琅满目的家用电器到电子计算机都要用电。又比如,300 多年前,

英国物理学家牛顿(I. Newton,1643—1727)在实验时发现,白光可以分解 成不同颜色的光。没有这一发现,我们就无法解释天空为什么是蓝色的、落日 为什么是红色的、彩虹是怎样形成的,也不可能制出彩色电视机。牛顿常对人 们习以为常的现象进行不懈的思考和探究,并由此发现了万有引力定律。

图4 乒乓球会下落吗?

2. 如图 4,在倒置的漏斗里放一个乒乓球,

用手指托住乒乓球。然后从漏斗口向下用力吹 气,并将手指移开。乒乓球会下落吗?

图6 上面的猜想促使牛顿发现了万有引力定律,这样才有了今天的通信卫星。

牛顿猜想:地球吸引月球使它不能逃离的力,跟吸引物体使它落向地面的力,也许是同一种力?

图5 牛顿的猜想对吗?

(10)

物理学在现实生活中的应用不胜枚举。汽车、火车、飞机,电灯、电话、

电视,X 光检查、CT 检查、核磁共振检查……物理学与人们的生活息息相关。

怎样学习物理

善于观察,乐于动手。物理学是一门以观察、实验为基础的科学,人们的 许多物理知识是通过观察和实验,经过认真的思索而总结出来的。

观察,必须是有目的的,不然,很多常见的现象你都会“视而不见”。

要学好物理,不仅要善于观察,还要乐于动手,多做实验。

图8 架空的高压输电线是裸露的,为什么 小鸟却能若无其事地停在电线上呢?

图9 用开水把杯子烫热,立即扣在气球上,

气球能把杯子“吸”住。这说明了什么?

图 1 0 通 上 电 的 线 圈 放 在 磁 场 中 会 转 起 来,为什么?

图7 冰棍“冒”出的“白气”向上 飘还是向下飘?为什么?

(11)

勤于思考,重在理解。观察、实验、看书、听课,都要多动脑子,勤于思 考。要养成爱问“为什么”的习惯,用疑问的眼光看待各种现象,探究我们 不知道的自然现象和规律。对于所学科学知识不应满足于背诵条文, 要力求理 解, 注意它们是根据哪些实验或事实,经过怎样的分析和思考得来的,它们和 其他知识有什么联系,对我们有什么用处。

联系实际,联系社会。物理知识是从实际中来的,又要应用到实际中去,

读过前面的课文,做过前面的实验,你大概对物理知识在社会生活中的广泛应 用已经有了些体会,随着学习的深入你会有更多的体会。

另外,我们也应该注意,不恰当地使用科技成果,会给我们的生活带来麻 烦。例如,长时间用耳机听音乐、长时间打游戏,会对人的耳朵、眼睛造成 伤害。

在今后物理课的学习中,要注意从不同的层面去思考科学技术与社会的关系。

没有物理学就不会有今天的科技发展,没有物理学就不会有当今的社会发展。

图11 绿色节能的太阳能建筑——现代社会对能源的需求越来越多,

而煤炭和石油等不可再生能源越用越少。太阳能可以说取之不尽,而 且是清洁能源。太阳能建筑综合运用了太阳能热水供应、采暖、制 冷、光伏发电等技术,实现了太阳能与建筑的完美结合。

(12)

科学·技术·社会

伽利略对摆动的研究

意大利科学家伽利略(1564—1642)是 物理学的伟大先驱。他在比萨大学读书时 对摆动规律的研究,是他第一个重要的科 学发现。据说,某个星期天,伽利略在比 萨大教堂参加活动,教堂穹顶上的吊灯因 风吹过不停地摆动。伽利略被摆动的节 奏吸引住了。他发现,尽管吊灯的摆动 幅度越来越小,但每一次摆动的时间似 乎相等。

伽利略决定仔细地观察。他知道脉搏 的跳动是有规律的,于是便按着脉注视着 灯的摆动,发现每往返摆动一次的时间的 确相同。这使他又冒出一个疑问:假如吊灯 受到强风吹动,摆得高了一些,以后每次摆动 的时间还是一样的吗?回到宿舍后,他用铁块 制成一个摆,把铁块拉到不同高度,用脉搏细心

地测定摆动所用的时间。结果表明,每次摆动的时间仍然相同。尽管用脉搏测量时间 并不精确,但已经可以证明他最初的想法是正确的,即“不论摆动的幅度大些还是小 些,完成一次摆动的时间是一样的”。这在物理学中叫做“摆的等时性”。各种机械 摆钟都是根据这个原理制作的。

后来,伽利略又把不同质量的铁块系在绳端作摆锤进行实验。他发现,只要用同 一条摆绳,摆动一次的时间并不受摆锤质量的影响。随后伽利略又想,如果将绳缩 短,会不会摆动得快些?于是他用相同的摆锤,用不同的绳长做实验,结果证明他的 推测是对的。他当时得出了结论:“摆绳越长,往复摆动一次的时间(称为周期)就 越长。”

人们对摆动的研究是逐步深入的。伽利略逝世30多年后,荷兰物理学家惠更斯找 到了摆的周期与摆长间的数学关系。直到牛顿发现了万有引力定律,才对摆动的规律 做出了圆满的解释。

摆的等时性研究,使人们对钟表的计时研究得到了发展,方便了人们的生活。

受到强风吹动,摆得高了一些,以后每次摆动

图12 年轻的伽利略在想什么?

(13)

学习物理,要仔细观察周围的世界,从中发现问题,提出假设,甚至是异 想天开的猜想;要善于动手,只有实践,才能证明猜想或假设是否正确,也才 能最终发现事物发展变化的规律。一代又一代的物理学家,为追寻科学问题的 答案锲而不舍。直到今天,人们仍在探究新的未知世界。

什么是科学之旅?科学之旅就是人类永无止境的探究历程。伟大的物理学 先驱——牛顿,有一段名言值得我们回味:

我不知道世界会怎样看待我,然而我认为自己不过 像在海滩上玩耍的男孩,不时地寻找比较光滑的卵石或 比较漂亮的贝壳,以此为乐,而我面前,则是一片尚待 发现的真理的大海。

阅读了以上材料后,讨论下面几个问题。

1. 伽利略怎样观察吊灯的摆动,并发现了值得注 意的现象?

2. 伽利略在观察中提出了什么疑问?对于这些疑 问做出了什么猜想?

3. 伽利略是怎样设法证实自己的猜想的?

4. 伽利略对摆动规律的探究经历了怎样的历程?

这说明了什么?

图13 伽利略开创了以实验为 基础并具有严密逻辑体系和数 学表述形式的近代科学,被后 人誉为“近代科学之父”。

(14)

第一章  机械运动

  我们生活在一个运动的世界中,白云在空 中飘荡、小河在静静地流淌、鸟儿在蓝天上翱 翔……而人与鸟“比翼齐飞”,令人惊奇和感动。

  地面上的观众看滑翔者和鸟都飞得很快,滑

翔者看鸟也飞得这样快吗?我们怎样来描述物体

的运动、如何测定物体的运动速度?让我们从简

单的运动开始,共同认识这个运动的世界吧!

(15)

第1节 长度和时间的测量

生活中我们常通过眼睛直接判断物体的大小、长短。上面左图中的帽檐 直径 AB 与帽子高度 CD 哪个较长 ? 右图中,中心的两个圆哪个面积较大 ? 先看 看,再用尺量。我们的视觉总是可靠的吗 ?

在生活、生产和科学研究中,经常要比较距离的远近、时间的长短、温度 的高低……人们常常用自己的眼睛、耳朵、鼻子等感觉器官去感知外界的情 况。但是,仅凭感觉去判断,不一定正确,更谈不上准确。

为了正确地认识周围的世界,准确把握事物的特点,人们发明了许多仪器 和工具。这些仪器和工具帮助我们进行准确的测量。尺、钟表、温度计等,都 是我们熟悉的测量仪器或工具。

长度的单位

测量任何物理量都必须首先规定它的单位。长度的基本单位是我们在小学 已经学过的米(metre)。物理量的单位都有国际通用的符号,国际单位制中,

米的符号是 m。成年人走两步的距离大约是 1.5 m,课桌的高度大约是 0.75 m。

C

A B

D

(16)

比米大的单位有千米(km),比米小的单位有分米(dm)、厘米(cm)、

毫米(mm)、微米(µm)、纳米(nm)等。它们同米的关系是

1 km = 1 000 m = 10

3

m

1 dm = 0.1 m = 10

-1

m 1 cm = 0.01 m = 10

-2

m 1 mm = 0.001 m = 10

-3

m 1 µm = 0.000 001 m = 10

-6

m 1 nm = 0.000 000 001 m = 10

-9

m

长度的测量

为了准确测量长度,人们设计、制造出了各种测量长度的工具。我们可以 根据对测量结果的要求选择不同的测量工具。

图 1.1-1 是一些常用的测量长度的工具。仔细观察你自己的刻度尺,回答 下面的问题。

1.

它的零刻度线在哪里?

2.

它的量程,也就是它的测量范围是多少?

3.

它的分度值(相邻两刻度线之间的长度,

它决定测量的精确程度)是多少?

如果需要对物体进行更精确的测量,就要选用 精确度比较高的测量工具进行测量,如游标卡尺、

螺旋测微器等(图 1.1-2)。

图1.1-1 常用的长度测量工具 刻度尺

卷尺

三角尺

1983

年 国 际 计 量 大 会做出规定:光在真空中

1

299 792 458 s

内 所 经 路 程 的长度定义为 1 m。

小资料

使用任何一种测 量工具时,都要首先 了解它的量程和分度 值。

(17)

用刻度尺测量长度

1.

练习使用刻度尺

测量铅笔(或其他物体)的长度,说一说如何正确地使用刻度尺。

刻度尺的使用看似简单,但是一些基本的使用规则却是非常重要的。通过 练习使用刻度尺可以发现,正确地使用刻度尺要注意以下几点。

(1)正确放置刻度尺:零刻度线对准被测物体的一端,有刻度线的一边要 紧靠被测物体且与被测长度保持平行(图 1.1-3 甲),不能歪斜(图 1.1-3 乙) 。

(2)读数时,视线要正对刻度线;要注意区分 大格及小格的数目,如图 1.1-4 所示。

(3)记录时,不但要记录数值,还必须注明测 量单位。没有单位的记录是毫无意义的。

2.

使用刻度尺测量长度

测量作业本和物理课本的长度和宽度,将测量 结果填入下表。

测量对象 长度 宽度

课 本 作 业 本

图 1.1-3

图 1.1-2 比较精确的长度测量工具

游标卡尺 螺旋测微器

实 验

图 1.1-4

(18)

链球菌半径 (3~5)×10-7 m 人头发直径 约 7×10-5 m 一张纸厚度 约 10-4 m 我国铁道标准轨距 1.435 m

时间的测量

像长度一样,时间也是我们经常 要测量的量。测量时间也要先规定它 的单位,很久以前人类就以地球自转 一周的时间作为时间单位,称做一天

(日)。

在国际单位制中,时间的基本单 位是秒(second),符号是 s。 时间 单 位 还 有 小 时(h)、 分(min) 等,

它们之间的关系是

1 h

= 60 min

1 min

= 60 s

生活中,我们常常采用一些粗略的方法来测量长度。人体的哪些部 位可以作为“尺”,用来估测长度?

比一比,看看谁知道的最多。用这些“尺”来估测某个物体的长度

(如教室的宽度)。

想想议议

一些长度和距离

珠穆朗玛峰海拔高度 8 844.43 m 地球半径 6.4×106 m 太阳半径 7×108 m 银河系半径 7.6×1020 m

小资料

在 1967 年的国际计量大会上确 定,铯 133 原子振动 9 192 631 770 次 所需的时间定义为1 s。

铯原子钟的精确度非常高,大约 每百万年只有 1 s 的误差。

小资料

(19)

在古代,人们用日晷(图 1.1-5)、沙漏等计 时仪器来测量时间。你还知道有哪些测量时间的 方法?

在现代生活中,我们通常使用钟、表(图 1.1-6)

来 测 量 时 间; 在 运 动 场 和 实 验 室, 经 常 用 停 表

(图 1.1-7)来测量时间。随着科学技术的发展,人 们还制造出了更精确的计时仪器,如铯原子钟。

图1.1-7

机械停表 电子停表

误差

在测量长度、时间以及其他物理量时,受所用仪器和测量方法的限制,

测量值与真实值之间总会有差别,这就是误差。我们不能消除误差,但应尽量 减小误差。多次测量求平均值,选用精密的测量工具,改进测量方法,都可以 减小误差,但不能消除误差。

误差不是错误。测量错误是由于不遵守仪器的使用规则、读数时粗心造成 的,是不该发生的,是能够避免的。

用停表测量时间

1.

练习使用停表。按动停表上的按钮,观察指针(或数字)的变化,了 解停表的使用方法。

2.

用停表测量你脉搏跳动 10 次所用的时间是 s, 1 min 内你的脉搏跳动 的次数是 次。

图1.1-6

石英钟 电子手表

图1.1-5

实 验

(20)

科 学 世 界

1. 同学之间交流:怎样才能更精确地测量硬币的直径、硬币的周 长、一页纸的厚度、铜丝的直径?你能想出多少种测量硬币周长的 方法 ?

2. 你知道吗?人的身体中藏有很多“尺”,比如在通常情况下,人 站立时身高大约是脚长的 7 倍。请你根据这一常识,设计一个方案,估 测你的身高约为多少。

3. 一天等于多少秒?

4. 在一条长绳的一端系一个小铁块就做成了一个摆(图 1.1-8)。要 测出它摆动一个来回所用的时间(周期),怎样能测得更准确?你能做一 个周期为1 s 的摆吗 ?

国际单位制

测量实际上是一个比较过程,就是将一个待测的量与一个公认的测量标准进行比 较。测量某个物理量时用来进行比较的标准量叫做单位(unit)。长期以来,世界上 不同地区(甚至同一地区的不同年代)选定的测量标准各不相同。例如,测量长度 时,我国过去采用的单位是“尺”(古代的“尺”与现代的“尺”也不一样),一些 欧洲、美洲国家采用的单位是“英尺”。这样,同一物体的长度用不同的单位来表 示,国际交流就会很不方便。

人们逐渐认识到,确定测量标准时,应当选取自然界中比较稳定、世界各国都能 接受的事物为标准。鉴于这种认识,国际计量组织制定了一套国际统一的单位,叫国 际单位制(International System of Units,简称SI),推荐各国使用。目前世界上大 多数国家和地区已经采用国际单位制,我国的法定计量单位也是以国际单位制为基 础的。

在国际单位制中,长度的单位是米,时间的单位是秒。国际单位制还规定了其他 物理量的单位,我们将在以后陆续学习。

动手动脑学物理

图1.1-8

(21)

机械运动

夜空中的彗星、飞奔的猎豹、缓慢爬行的蜗牛……这些运动的物体都有一 个共同的特点,就是它们的位置随时间不断地发生变化。在物理学中,我们把 物体位置的变化叫做机械运动(mechanical motion)。刚刚说到的彗星、猎豹、

蜗牛等都在做机械运动。

第2节 运动的描述

和同学们一起讨论图 1.2-1 所示的运动及类似的运动。想想看,

人们根据什么说这些物体是运动的?

想想议议

哈雷彗星大约每隔 76年就到地球附近造访 一次

飞奔

的猎豹 缓慢爬 行的蜗牛 图1.2-1 形形色色的 运动

(22)

机械运动是一种常见的运动,例如都市中人流 的移动、大自然中江河的奔流、浩瀚太空中天体的 运动、令人震撼的地壳运动(图 1.2-2),等等。机 械运动是最简单的一种运动形式,是学习其他各种 运动的基础。

运动是宇宙中最普遍的现象,除了机械运动,

运动还有多种形式,如微观世界里分子、原子的运 动,电磁运动,生机盎然的生命运动……宇宙中的 万物都在以各种不同的形式运动着。

这一章我们学习机械运动,关于分子、原子的 运动及电磁运动等,我们将在后面陆续学到。

参照物

要判断物体是否在运动,似乎是一件很容易的事。例如,公路上行驶的汽 车是运动的,而路旁的树木是静止的。不过,事情就真的那么简单吗?

人们判断物体的运动和静止,总要选取某一物体作为标准。如果一个物体 的位置相对于这个标准发生了变化,就说它是运动的;如果没有变化,就说它 是静止的。这个作为标准的物体叫参照物。

在上面的例子中,如果以旁边的列车为标准,你乘坐的列车就是运动的;

如果以地面为标准,你乘坐的列车就是静止的。

我们在判断一个物体是静止还是运动时,首先要选定参照物。参照物可以 根据需要来选择。如果选择的参照物不同,描述同一物体的运动情况时,结

你也许有过这样的体验:两列火车并排停 在站台上,你坐在车厢中向另一列车厢观望

(图 1.2-3)。突然,你觉得自己的列车开始缓缓地 前进了,但是,“驶过”了旁边列车的车尾你才发现,

实际上你乘坐的列车还停在站台上,而旁边的列

车却向相反方向开去了。这是怎么回事呢? 图1.2-3 想想议议

图1.2-2 地壳运动使 珠穆朗玛峰高度变化

(23)

1. 分别以火车头、车厢的座椅、路边的树木、房屋为参照物,在平稳行驶的列车 中,放在行李架上的物品相对于哪些是静止的,相对于哪些是运动的?

2. 鲁迅的《社戏》中有这样的描写:“淡黑的起伏的连山,仿佛是踊跃的铁的兽 脊似的,都远远地向船尾跑去了……”其中“连山……向船尾跑去了”所选的参照物 是( )。

A. 山 B. 船 C. 流水 D. 河岸

3. 看电视转播的百米赛跑时,我们常常感觉运动员跑得很快,但实际上他们始终 处于屏幕上。人们怎么会认为他们是运动的呢?谈谈你的看法。

空中加油机正在加油 运行中的自动扶梯

论一般也不一样。例如,如果以地面为参照物,房 屋、桥梁、树木等物体,都是静止的;如果以太阳 为参照物,这些物体又都是运动的。在图 1.2-4 中,

卡车和联合收割机以同样快慢、向同一方向前进。

如果以地面为参照物,它们都在运动;以它们中的 任何一个为参照物,则另一个是静止的。可见,物 体的运动和静止是相对的。

图1.2-5

想想议议

说说图 1.2-5 甲、乙两图中的人与战机选什么样的参照物是运动的,

选什么样的参照物是静止的。

动手动脑学物理

图1.2-4 卡车和联合收割机相对 静止

(24)

想想议议

第3节 运动的快慢

速度

运动的物体,有的运动得快,有的运动得慢。

比较物体运动快慢有两种方法:一种是在相同的时间内,比较物体经过的 路程,经过路程长的物体运动得快;另一种是在物体运动相同路程的情况下,

比较它们所花的时间,所花时间短的物体运动得快。

在百米赛跑过程中(图 1.3-1),运动员所用的时间相同,如果要比较谁跑 得快,就要看谁经过的路程长,也就是谁跑在前面。运动员到达终点时,他们 都经过了相同的路程,那么所用时间 最短的运动员跑得最快。可见,表示 运动快慢必须考虑路程和时间两个 因素。

在物理学中,为了比较物体运动 的快慢,采用“相同时间比较路程”

的方法,也就是将物体运动的路程除 以所用时间。这样,在比较不同运动 学校运动会上,短跑比赛正在紧张地进行着。

1.

在比赛过程中,你是如何判断谁跑得快的 ?

2.

运动员跑完全程后,裁判员是怎样计算成绩的 ? 你与裁判员所用 的方法一样吗 ? 为什么 ?

3.

小聪同学的 100 m 跑成绩为 17 s,小明同学的 50 m 跑成绩为 8 s,

要知道他俩谁跑得快,应该怎么办?

图1.3-1 百米赛跑

(25)

物体的快慢时,可以保证时间相同。在物理学中,把路程与时间之比叫做速度

(velocity)。

通常用字母v表示速度,s表示路程,t表示时间,那么有

速度是表示物体运动快慢的物理量,在数值上等于物体在单位时间内通过 的路程,这个数值越大,表明物体运动得越快。

速度的单位由长度单位和时间单位组合而成。

在国际单位制中,速度的基本单位是米每秒,符 号 是 m/s 或 m · s-1,这种单位叫做组合单位。在 交通运输中速度的单位也常用千米每小时,符号是

km/h

或 km · h-1。这两个单位的关系是

1 m/s = 3.6 km/h

一些交通工具中的速度表可以直接显示出速度

(图 1.3-2)。

一些物体运动的速度

蜗牛 约 1.5×10-3 人(步行) 约 1.1

自行车 约 5

高速公路上的小轿车 约 33

雨燕 可达 48

图1.3-2 汽车速度表

上海磁浮列车 可达 120 喷气式客机 约 250 超音速歼击机 约 700 子弹(出膛时) 约 1 000 同步卫星 3 070

v =

小资料

匀速直线运动

物体做机械运动,按照运动路线的曲直可分为直线运动和曲线运动。在直 线运动中,按照速度是否变化,又分为匀速直线运动和变速直线运动。

s t

速度 /(m · s-1) 速度 /(m · s-1

物体 物体

(26)

图 1.3-3 记录了两辆汽车在平直的公路上行驶时,在相同的时间内 通过的路程。甲图中汽车在各段时间内的速度有什么特点?乙图中汽 车在各段时间内的速度相等吗?

图1.3-3

图 1.3-3 甲中的小汽车做直线运 动时,在相同的时间内通过的路程相 等,它的速度是不变的。我们把物 体沿着直线且速度不变的运动,叫 做匀速直线运动(uniform rectilinear

motion

)。匀速直线运动是最简单的

机械运动,它是研究其他复杂运动的 基础。

物体做直线运动时,其速度的大小常常是变化的,即在相等的时间内通过 的路程不相等,如图 1.3-3 乙中汽车的运动,这种运动叫做变速直线运动。变 速运动比匀速运动复杂,如果只做粗略研究,也可以用 v = s

t 来描述运动的快

慢,这样算出来的速度叫做平均速度。日常所说的速度,多数情况下指的是平 均速度。

例题 我国优秀运动员刘翔在 2004 雅典奥运会上勇夺 110 m 跨栏金牌并打 破奥运会纪录,成绩是 12.91 s。他的平均速度是多少?

解:刘翔在运动过程中通过的路程 s=110 m,所用的时间 t=12. 91 s。

0

0 10 s 20 s 30 s 40 s

300 m 600 m 900 m 1 200 m

0

0 10 s 20 s 30 s 40 s

200 m 450 m 750 m 1 200 m

想想议议

图1.3-4 平直轨道上平稳行驶的列车 有时可认为在做匀速直线运动

(27)

利用公式v = s

t ,可以算出他的平均速度为

v = s

t

=

110 m

12.91 s

= 8.52 m/s

即刘翔的平均速度是 8.52 m/s。

我们在媒体上常常可以看到“两地车程 1 小时”之类的说法,请你 说一说“车程”一词的含义。

1. v = s

t

是用单位时间内通过的路程来表示运动快慢的。能不能用单位路程所用 的时间来表示运动的快慢?

2. 有些公路旁每隔1 km就立着一个里程碑。如何利用里程碑估测自行车的速度?

3. 小明在跑百米时前 50 m 用时 6 s,后 50 m 用时 7 s,小明前、后 50 m 及百米全 程的平均速度各是多少?

4. 北京南站到上海虹桥站的 G11 次高速列车运行时刻表(2011)如下表所示。

站次 站名 到达时间 开车时间 运行时间 里程

1 北京南 始发站 08:00 0分 0

2 济南西 09:32 09:34 1小时32分 406千米

3 南京南 11:46 11:48 3小时46分 1 023千米

4 上海虹桥 12:55 终点站 4小时55分 1 318千米

根据列车运行时刻表回答下列问题:

(1)列车由北京南站驶往上海虹桥站全程的平均速度是多少?

(2)列车在哪个路段运行得最快?在哪个路段运行得最慢?

想想议议

动手动脑学物理

计算中要注意:

1.

不能只写公式和数 字,一定要把必要的 文字说明写出。

2.

数字的后面要写上 正确的单位。

(28)

第4节 测量平均速度

从速度的公式v = s

t 可知,如果

我们测出了物体运动的路程 s 和通过 这段路程所用的时间 t,就可以算出 物体在这段时间内运动的平均速度。

下面我们实际测量一个物体运动 的平均速度。

测量物体运动的平均速度

实验装置如图1.4-1所示,斜面的一端用木块垫起,使它保持很小的坡度。

实验步骤如下。

1.

把小车放在斜面顶端,金属片放在斜面底端,用刻度尺测出小车将要 通过的路程 s1,把 s1和后面测得的数据填入下表中。

2.

用停表测量小车从斜面顶端滑下到撞击金属片的时间 t1

3.

根据测得的s1、t1,利用公式v1 = s

t

11算出小车通过斜面全程的平均速度v1

4.

将金属片移至斜面的中部,测出小车到金属片的距离 s2

5.

测出小车从斜面顶端滑过斜面上半段路程 s2所用的时间 t2,算出小车通 过上半段路程的平均速度v2

路程 运动时间 平均速度

s

1=

t

1= v1

=

s

2=

t

2= v2

=

图1.4-1

᧛࡛

 s1

 s2

实 验

(29)

科 学 世 界

物体运动的情况还可以通过另外一种 办法即时测定、显现出来。如图 1.4-2 所示,

A为可在斜面上自由移动的小车,B 为固 定在斜面一端的位移传感器。位移传感器 B利用超声波可以测出不同时刻小车 A 与 它的距离,这样计算机就可以算出运动的 小车在不同位置时的速度。

计算机把在不同时间测出的运动物体 的速度显示在屏幕上(横轴为时间,纵轴 为速度),我们就可以直观地看出物体的 速度是增大的、减小的还是不变的。

用图 1.4-2 所示的装置,做下面的实验。

1. 测量小车在斜面上运动的速度。

2. 将位移传感器 B 放置在合适的位置,实验者面对传感器 B,前后行走,在计算机 屏幕上观察行走速度的变化情况。

超声波测距

在日常生活、生产中,我们通常用刻度尺、卷尺等工具来测量物体的长度。在工 业生产和科学研究中,还会用到其他一些技术来测量距离,如超声波测距等。

超声波在空气中的传播速度约为340 m/s。超声波的指向性强,在空气中传播的距 离较远,因而经常用于距离的测量、汽车倒车防撞、智能机器人等领域。

超声波测距原理如图1.4-3所示。发射器向某一方向 发射超声波,在发射的同时开始计时。超声波传播时碰 到障碍物会被反射,接收器收到反射波就停止计时。根 据计时器记录的时间

t

,仪器自动计算出发射点与障碍物 之间的距离。

如果障碍物是运动的物体,超声波测量仪可以根据算出的障碍物移动的距离,再 根据两次自动发射超声波的时间,算出物体移动的速度。

发射器

接收器

图1.4-3 超声波测距原理

扩展性实验

B A

图1.4-2 实验装置

(30)

1. 在测量平均速度的实验中,应该用 测量小车通过的路程 s,用 测量 小车运动的时间 t,通过公式 求出平均速度v。

2. 在用图 1.4-1 的方法测量平均速度的实验中,小车两次运动的平均速度不一样,

你认为可能的原因是什么?请简要列出两条可能的原因。

3. 学校操场上跑道的长度是已知的。怎样利用这条跑道和手表,测定自己正常步 行时、竞走时、长跑时的平均速度?

4. 有一个量程为 1 m 的卷尺,请你设计一个简单的方法估测你家到学校的路程,

写出具体的步骤。

动手动脑学物理

1. 正确使用刻度尺

使用刻度尺前要注意观察它的零刻度线、量程和分度值。

用刻度尺测长度时,尺要紧贴所测的直线;读数时视线要正对刻度线。

测量结果由数字和单位组成。

2. 参照物

物体位置的变化叫做机械运动。

当我们判断一个物体是在运动还是静止时,总是选取某一物体作为标准,这个物体 叫做参照物。参照物的选取是任意的,通常选地面为参照物。

3. 速度

速度是表示物体运动快慢的物理量。

物体沿着直线且速度不变的运动,叫做匀速直线运动。在匀速直线运动中,速度等 于物体通过的路程除以所用的时间,用公式表示就是 v =

s

t

。如果知道公式中的任意两个 物理量,就可以算出另一个物理量。

在变速运动中,常用平均速度v =

s

t

来粗略地描述运动的快慢。

学到了什么

(31)

在非洲干旱炎热的草原上,万籁俱寂。一群 大象慢慢地向前走。这群象要去哪里?也许,它 们发现了水源,或者可口的食物。象群的行进速 度虽然缓慢,但方向是确定的。忽然,不知什么 原因,象群停住了。一些象竖起鼻子站在那儿,

另一些则左顾右盼犹豫着。但是很快,它们又继 续前进了,不过这次它们改变了方向。

这些大象的活动是在无声无息中进行的,这 与声有什么关系?实际上,大象可以用我们人类 听不到的“声音”进行交流。

现在我们就来学习这看似简单,但又藏有许 多奥秘的声。

第二章  声现象

(32)

第1节 声音的产生与传播

鸟鸣清脆如玉,琴声婉转悠扬……声音对我们来说再熟悉不过了,但是你 知道声音是怎么产生的,又是如何被我们听到的呢?

声音的产生

拨动张紧的橡皮筋,观察橡皮 筋的变化(图 2.1-1);边说话,边 用手摸颈前喉头部分(图2.1-2)。

观察、体验、总结物体发声 时的共同特征。

图2.1-2 图2.1-1

想想做做

(33)

从上面的活动中可以看出,橡皮筋嗡嗡作响 时,橡皮筋在振动;说话时声带在振动。大量 的观察、分析表明,声音是由物体的振动(vibra-

tion)产生的。

物体振动发声的现象真是太多了,你能说 出一些发声现象的道理吗? 比如,蝈蝈是怎么 发声的(图 2.1-3)?如果让发声的物体不再发 声,又该怎么做?

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,就会产生与原来一样的声音,这样就可以将声音保存下 来。图 2.1-4 是早期机械唱片表面的 放大图。从图片上可以看到,唱片上 有一圈圈不规则的沟槽。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,人们还发明了用磁带、激光 唱盘和存储卡等记录声音的方法。

图 2.1-4 早期的机械唱片表面

声音的传播

人们听到声音时往往距发声的物体有一定的距离,那么声音是怎样从发声 的物体传播到远处的呢?

如图 2.1-5,把正在响铃的闹钟放在玻璃罩内,

逐渐抽出其中的空气,注意声音的变化。再让空气 逐渐进入玻璃罩,注意声音的变化。

图 2.1-5 真空罩中的闹钟

演示

图 2.1-3 蝈蝈

(34)

这个实验告诉我们,正是平时大家并不十分留意的空气传送了声音。如果 没有空气,人们就无法正常交流。太空中没有空气,哪怕离得再近,航天员也 只能通过无线电交谈。

声音在空气中是怎样传播的呢?

以击鼓为例:鼓面的振动带动周围的 空气振动,形成了疏密相间的波动,

向远处传播(图 2.1-6)。这个过程跟 水波的传播相似。用一支铅笔不断轻 点水面,水面就会形成一圈一圈的水 波,不断向远处传播。因此,声音以 波的形式传播着,我们把它叫做声波

(sound wave)。 图 2.1-6 空气的疏密部分的传播形成声波

从这个实验可以看出,桌子也能传声。气体、固体可以传播声音,其实液 体也可以传播声音。将要上钩的鱼,会被岸上的说话声或脚步声吓跑;在花样 游泳比赛中,运动员在水中也能听到音乐,这些都是因为水能传播声音。

大量实验表明:声音的传播需要物质,物理学中把这样的物质叫做介质

(medium);传声的介质既可以是气体、固体,也可以是液体;真空不能传声。

声速

远处一道闪电划过漆黑的夜空,过一会才会听到隆隆的雷声。这个现象表 明,远处的声音传到我们的耳朵需要一段时间。声音传播的快慢用声速描述,

想想做做

用一张桌子做实验。一个同学轻敲桌子

(不要使附近的同学听到敲击声),另一个同 学把耳朵贴在桌面上。由实验能得出什么

结论?

用一张桌子做实验。一个同学轻敲桌子

(不要使附近的同学听到敲击声),另一个同 学把耳朵贴在桌面上。由实验能得出什么

图2.1-7 桌子能否传声?

(35)

科 学 世 界

它的大小等于声音在每秒内传播的距离。声速的大小跟介质的种类有关,还跟 介质的温度有关。15 °C时空气中的声速是 340 m/s。

声音在传播过程中,如果遇到障碍物,就会被反射。我们对着远处的高墙 或山崖喊话以后听到的回声,就是反射回来的声音。当障碍物离人较远时,发 出的声音经过较长的时间(大于 0.1 s)回到耳边,人们能把回声与原声区分 开;当障碍物离得太近时,声波很快被反射回来,回声与原声混在一起,此时 人们分辨不出原声和回声,但是会觉得声音更响亮。音乐厅中常用这种原理使 演奏的效果更好。

空气(0 °C) 331 空气(15 °C) 340 空气(25 °C) 346

软木 500

煤油(25 °C) 1 324 水(常温) 1 500

海水(25 °C) 1 531

冰 3 230

铜(棒) 3 750

大理石 3 810

铝(棒) 5 000 铁(棒) 5 200

一些介质中的声速

我们是怎么听到声音的

人靠耳朵听声音,那 么耳朵通过什么途径感知 声音呢?生物课上大家已 经知道了人们感知声音的 基 本 过 程 : 外 界 传 来 的 声 音 引 起 鼓 膜 振 动 , 这 种振动产生的信号经过听 小骨及其他组织传给听觉 神经,听觉神经把信号传 给大脑,人就听到了声音

(图2.1-8)。

小资料

图 2.1-8 人耳构造

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声速 /(m · s-1) 声速 /(m · s-1

介质 介质

(36)

1. 用手拨动绷紧的橡皮筋,我们听到了声音,同时观察到橡皮筋变“胖”变

“虚”了,这是因为橡皮筋在振动。请你举出其他的例子说明发声体在振动,在你所举 的例子中,请说明是哪个物体振动发出声音的。

2. 阅读课本中的声速表,你能获得关于声速的哪些信息?

3. 将耳朵贴在长铁管的一端,让另外一个人敲一下铁管的另一端,你会听到几次 敲打的声音?试一试,并说出其中的道理。

4. 在室内讲话比旷野里响亮,这是为什么?

5. 向前传播的声音遇到障碍物能反射回来。一个同学向一口枯井的井底大喊一 声,约 1.5 s 后听到回声,那么这口枯井的深度大约是多少米 ?

在这个过程中,任何部分发生障碍(例如鼓膜、听 小骨或听觉神经损坏),人都会失去听觉。如果只是传 导障碍,而又能够想办法通过其他途径将振动产生的信 号传递给听觉神经,人也能够感知声音。例如,声音通 过头骨、颌骨也能传到听觉神经,引起听觉。科学中把 声音的这种传导方式叫做骨传导。

取两个棉花球塞住耳朵,用橡皮锤敲击音叉,这时 你基本听不到音叉发出的声音;再把振动的音叉尾部先

后抵在前额、耳后的骨头或牙齿上(图2.1-9),你都能清楚地听到音叉发出的声音,

一旦把音叉移开,马上就听不到这一声音了。实际上,第二种情况就是利用了骨传 导。一些失去听觉的人可以利用骨传导来听声音。据说,音乐家贝多芬耳聋后,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,从而继续进行创作 的。骨传导不用空气传声,可以有效避免嘈杂环境的干扰,常应用在工业、战场等特 殊场合中。而利用骨传导原理制成的助听器、耳机等更是在生活中得到了广泛的应用。

想一想,我们梳头、刷牙、吃饼干发出的各种声音是怎样传进大脑,产生听 觉的?

图 2.1-9 体验骨传导

动手动脑学物理

(37)

第2节 声音的特性

振动会发出声音,为什么我们听不到蝴蝶翅膀振动发出的声音,却能听到 讨厌的蚊子声?为什么用力鼓掌比轻轻拍掌发出的声音大?要知道这些问题的 答案,就需要研究声音的特性。

音调

我们接触到的各种声音,有的听起来音调(pitch)高,有的听起来音调 低。声音为什么会有音调高低的不同?什么因素决定音调的高低?

如图 2.2-1 所示,将一把钢尺紧 按在桌面上,一端伸出桌边。拨动钢 尺,听它振动发出的声音,同时注意 钢尺振动的快慢。改变钢尺伸出桌边 的长度,再次拨动钢尺。

比较两种情况下钢尺振动的快慢 和发声的音调。

物体振动得快,发出的音调就高,振动得慢,发出的音调就低。可见发声 体振动的快慢是一个很重要的物理量,它决定着音调的高低。物理学中用每秒 内振动的次数——频率(frequency)来描述物体振动的快慢。频率决定声音的音 调,频率高则音调高,频率低则音调低。频率的单位为赫兹(hertz),简称赫,

符号为 Hz。如果一个物体在 1 s 的时间内振动 100 次,它的频率就是 100 Hz。

为了很好地了解物体振动发声的情况,我们可以将声音的波形在示波器或 计算机上展现出来。

演示

图2.2-1 探究音调和频率的关系

(38)

如图 2.2-1 所示,将一把钢尺紧 按在桌面上,一端伸出桌边。拨动钢 尺,听它振动发出的声音,同时注意 钢尺振动的快慢。改变钢尺伸出桌边 的长度,再次拨动钢尺。

比较两种情况下钢尺振动的快慢 和发声的音调。

通过屏幕上的波形,我们可以清楚地看到,高音调的波形更密集一些,声 音的频率高;低音调的波形更稀疏一些,声音的频率低。

人能感受的声音频率有一定的范围。大多数人能够听到的频率范围从

20 Hz

到 20 000 Hz。人们把高于 20 000 Hz 的声叫做超声波(supersonic wave),

因为它们超过人类听觉的上限;把低于 20 Hz 的声叫做次声波(infrasonic

wave

),因为它们低于人类听觉的下限。通常人们将人类能听到的声叫声音,

将声音、超声波、次声波统称声。

动物的听觉范围通常与人的不同。一些动物对高频声波反应灵敏。或许你 曾经注意过,有时在你认为很静、没有任何声音时,猫或者狗却突然表现得 非常警觉。猫能够听到的频率范围是 60~65 000 Hz,狗能够听到的频率范围是

15~50 000 Hz

,海豚能听到声的上限是 150 000 Hz。

演示

如图 2.2-2 所示,把音叉发出的声音 信号输入示波器或计算机,观察声音的 波形。换一个不同频率的音叉做实验,

边听边分析它们的波形有何不同。

图 2.2-2 声音的波形

如图 2.2-2 所示,把音叉发出的声音 信号输入示波器或计算机,观察声音的 波形。换一个不同频率的音叉做实验,

边听边分析它们的波形有何不同。

(39)

人和一些动物的发声和听觉的频率范围

响度

声音有音调的不同,也有强弱的不同。例如,用力击鼓比轻轻击鼓产生的 声音大。物理学中,声音的强弱叫做响度(loudness)。什么因素决定声音的 响度呢?

如图 2.2-3,将正在发声的音叉轻触系在细绳上 的乒乓球,观察乒乓球被弹开的幅度。

使音叉发出不同响度的声音,重做上面的实验。

响度与什么因素有关?

图2.2-3

演示 小资料

20 000 1 100

85

20

50 000 1 800

452

15

65 000 1 500

760

60

120 000 120 000 10 000

1 000 蝙蝠

150 000 120 000 7 000

150 海豚

20 000

14 24

1 大象

发声频率 听觉频率

频率 / Hz

(40)

物理学中用振幅(amplitude)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。

人听到声音是否响亮,除跟发声体发声时的响度有关外,还跟人距离发声 体的远近有关系。声音是从发声体向四面八方传播的,越到远处越分散。所以 距离发声体越远,听到的声音越小。用喇叭可以减少声音的分散,使声音传播 得更远些。

音色

频率的高低决定声音的音调,振幅的大小影响声音的响度。但是,不同 的物体发出的声音,即便音调和响度相同,我们还是能够分辨出它们的不同。

这表明在声音的特性中还有一个特性是十分重要的,它就是音色(musical

quality

)。不同发声体的材料、结构不同,发出声音的音色也就不同。

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 放这几个声音片段,边听边比较它们的波形有何异同。

观察上面的声音波形(图 2.2-4)可以知道,音调相同的不同乐器发出的 波形总体上的疏密程度是相同的,即频率相同;但是波的形状不同,即音色 不同。

音叉 乙 钢琴 丙 长笛 图2.2-4 声音波形图

演示

(41)

科 学 世 界

乐音和乐器

乐音 声音是多种多样的。许多声 音悠扬、悦耳,听到时感觉非常舒服,

例如歌唱家的歌声、演奏家演奏的乐曲 声。人们把这类声音叫做乐音。

从 钢 琴 和 长 笛 的 波 形 图 中 可 以 看 出,乐音的波形是有规则的。

乐器 为了欣赏各种乐音,千百年 来世界各地、各民族的人民发明了各种

各样的乐器。虽然各种乐器看上去千差万别,音色和演奏方式也各不相同,但所有乐器 的物理原理都是一样的:通过振动发出声音。

乐器可以分为三种主要的类型:打击乐器、弦乐器和管乐器。

打击乐器 鼓、锣等乐器受到打击时发生振动,产生声音。以鼓为例,鼓皮绷得 越紧,振动得越快,音调就越高。击鼓的力量越大,鼓皮的振动幅度就越大,声音就 越响亮。

弦乐器 二胡、小提琴和钢琴通过弦的振动发声。长而粗的弦发声的音调低,短 而细的弦发声的音调高。绷紧的弦发声的音调高,不紧的弦发声的音调低。弦的振动 幅度越大,声音就越响。弦乐器通常有一个木制的共鸣箱来使声音更洪亮。

管乐器 长笛、箫等乐器,包含一段空气柱,吹奏时空气柱振动发声。抬起不同 的手指,就会改变空气柱的长度,从而改变音调。长的空气柱产生低音,短的空气柱 产生高音。各种号也是常见的

管乐器。

产生高音。各种号也是常见的 管乐器。

图2.2-6 交响乐队 图2.2-5 编钟是我国春秋战国时代的乐器,

敲击大小不同的钟能发出不同的音调。

(42)

图 2.2-8 音调可变的哨子 图 2.2-7 水瓶琴

动手动脑学物理

1. 观察一件乐器。它是由什么振动发出声音的,又是怎样改变音调和响度的?

2. 某种昆虫靠翅的振动发声。如果这种昆虫的翅在 2 s 内做了 700 次振动,频率是 多少?人类能听到吗?

3. 生活中经常用“高”“低”来形容声音,如“女高音”“男低音”“引吭高 歌”“低声细语”。这 4 个词语中的“高”“低”描述的各是声音的哪些特性?

4. 小小音乐会。

试着制作一件小乐器,在班里举行的小型音乐会上用自己制作的乐器进行演奏,

看看谁的乐器有新意,谁演奏得好。看看以下制作方案能否给你启发。

方案一: 8 个相同的玻璃瓶中灌入不同高度的水,仔细调节水的高度。敲击它们,

就可以发出“1,2,3,4,5,6,7,1”的声音来(图 2.2-7)。

方案二:在筷子上捆一些棉花或碎布,做一个活塞。用水或油蘸湿棉花后插入 两端开口的塑料管或竹管中。用嘴吹管的上端,可以发出悦耳的哨音。上下推拉“活 塞”,音调就会改变(图 2.2-8)。

(43)

第3节 声的利用

人从呱呱坠地时起,就开始利用声音了。妈妈会从婴儿的啼哭声中发现宝 宝情绪的变化;经验丰富的水手可以通过汽笛的回声判断悬崖的距离;医生会 用各种各样的超声仪器为患者诊病……

自然界中的声现象实在是太多了。除了人类,动物中也有不少是利 用声的高手。你能举出一些例子吗?

声与信息

不同的动物感受声波的频率范围不同。有些动物对高频声波有很好的反 应,有些动物对低频声波有很好的反应。还记得吗,本章开始时说过“大象可 以用我们人类听不到的‘声音’进行交流”,这种“声音”是一种什么声呢?

实际上,此时大象发出的声就是一种次声波。

大自然的许多活动,如地震、火山喷发、台 风、海啸等,都伴有次声波产生。一些机器在工作 时,也会产生人耳听不到的次声波。次声波传播的 距离很远,发生地震、台风、核爆炸时,即使在几 千千米以外,使用灵敏的声学仪器也能接收到它们 产生的次声波。处理这些信息,可以确定这些活动 发生的方位和强度。

蝙蝠通常只在夜间出来活动、觅食。但它们从 来不会撞到墙壁、树枝上,并且能以很高的精度确

想想议议

图 2.3-1 火山爆发会产生次声波

(44)

认目标。它们的这些“绝技”靠的是 什么?原来,蝙蝠在飞行时会发出超 声波(图 2.3-2),这些声波碰到墙壁 或昆虫时会反射回来,根据回声到来 的方位和时间,蝙蝠可以确定目标的 位置。

蝙蝠采用的方法叫做回声定位。

现在,采用这个原理制成的超声导盲 仪可以探测前进道路上的障碍物,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(图 2.3-3)。

科 学 家 利 用 这 个 原 理 发 明 了 声 呐

(sonar)。利用声呐系统,人们可以 探知海洋的深度,绘出水下数千米处 的地形图。捕鱼时还可以利用声呐来 获得水中鱼群的信息。

中医诊病通过“望、闻、问、切”四个途径,其中“闻”就是听。医生利 用听诊器捕获人体内的声音信息,来诊断疾病。而借助超声波,医生还可以准 确地获得人体内部脏器的图像信息。医生用 B 型超声波诊断仪向病人体内发射 超声波,然后接收体内脏器的反射波,反 射波携带的信息经过处理后显示在屏幕 上。这就是常说的“B 超”。在图 2.3-4 中,医生正在用 B 超查看胎儿的发育

情况。

生产实践中,超声的检测技术应 用很广。比如,利用超声可以检测 出锅炉有没有裂纹,甚至还可以知 道裂纹有多大、多深。

声与能量

把一块石头扔进水里,可以看到一圈一圈的波纹向四周散去,水面上的树叶

图2.3-2 蝙蝠靠超声波发现昆虫

图 2.3-3 倒车雷达

图 2.3-4 医生用 B 超查看胎儿的发育情况

(45)

科 学 世 界

也随之起伏。我们说,扔石头的能量通过水波传给了树叶。声波是一种波动,那 么,声波能传递能量吗?

声波传递能量的性质应用在社会生活的很多方 面。一般来说,超声波产生的振动比可闻声更加强 烈,常被用来清洗物体(图 2.3-6)。把被清洗的物 体放在清洗液里,超声波穿过液体并引起激烈的振 动,振动把物体上的污垢敲击下来而不会损坏被洗 的物体。外科医生常利用超声波振动除去人体内的 结石。向人体内的结石发射超声波,结石会被击成 细小的粉末,从而可以顺畅地被排出体外。

如图 2.3-5 所示,将扬声器对准烛焰,播放音乐,

你看到了什么现象?这说明了什么问题?

图 2.3-6 超声波清洗机

演示

不是老天爷显灵,是建筑师的杰作

驰名中外的北京天坛,是明清两代皇帝祈谷、祈雨、祈天的地方,其中的回音壁

(图2.3-7)、三音石、圜丘(图2.3-8)三处建筑有非常美妙的声音现象,反映出我国 古代高水平的建筑声学。

图 2.3-5 发声扬声器旁的烛焰

图2.3-8 天坛的圜丘。人站在中央台上说 话,会感到声音特别洪亮。

图 2.3-7 天坛的回音壁。人站在圆形围墙内附 近说话,声音经过多次反射,可以在围墙的任 何位置听到。

(46)

1. 请你分析下列事例是利用声传递能量还是利用声传递信息。

(1)利用超声波给金属工件探伤;

(2)医生通过听诊器给病人诊病;

(3)通过声学仪器接收到的次声波等信息判断地震的方位和强度;

(4)利用超声波排除人体内的结石。

2. 用超声测位仪向海底垂直发射声波,经过 4 s 后收到回波。如果海水中声音的平 均传播速度为 1 500 m/s,此处海水约有多深?

3. 以“声的利用”为关键词,查询有关资料,写出利用声的主要方面。

圜丘在天坛公园的南部,始建于明嘉靖九年(公元1530年),是座分成三层的圆 形平台,每层周边都有汉白玉栏杆,每个栏杆和栏板都有精雕细刻的云龙图案,每层 平台的台面都由光滑的石板铺成。第三层台面高出地面约5 m,半径约11.5 m,中心 是一块圆形大理石,俗称天心石或太极石。当你站在天心石上说话或唱歌时,你会觉 得声音特别洪亮。但是站在天心石以外的人听起来,却没有这种感觉,站在天心石以 外说唱,也没有这种感觉。传说,皇帝每年都要到这里来祈祷上天,在圜丘的天心石 上祷告:“苍天保佑,五谷丰登。”当他听到远比自己平时说话大得多的声音时,认 为是老天爷显灵,觉得自己的虔诚感动了上天。

其实,这不过是声音反射造成的音响效果。圜丘第三层台面中心略高(图2.3-9),

四周微微向下倾斜。当有人在台中心喊叫一声,传向四周的声音有一部分被四周的石 栏杆反射,射到稍有倾斜的台面后又反射到台中心。因为圜丘第三层半径仅11.5 m,

从发声到回声返回中心约需0.07 s,所以回声跟原来的声音混在一起,分辨不开,只 觉得声音格外响亮,还使人觉得似乎有声音从地下传来。

关于回音壁、三音石的声学特性,同学们还可以寻找到更多的资料。

动手动脑学物理

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图 2.3-9 圜丘反射声的示意图

(47)

第4节 噪声的危害和控制

优美的乐音令人心情舒畅,而杂乱的声音——噪声(noise)则令人心烦 意乱。噪声是严重影响我们生活的污染之一。噪声是怎样产生的?它对人有哪 些危害?怎样才能有效地防止或减弱噪声?

噪声的来源

从物理学的角度讲,发声体做无规则振动时会发出噪声。

观察泡沫塑料块刮玻璃时产生的 噪声的波形(图 2.4-1),并与音叉发 出的声音的波形做比较。

从环境保护的角度讲,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,都属于噪声。从这个意义上说,噪声的来 源是非常多的。街道上的汽车声、安静的图书馆里的说话声、建筑工地的机器 声,以及邻居电视机过大的声音,都是噪声。

你周围常有哪些噪声?请说说自己的感受并找到这些噪声的来源。

演示

想想议议

图 2.4-1 噪声的波形

(48)

噪声强弱的等级和噪声的危害

人们以分贝(decibel,符号是 dB)为单位来表示声音强弱的等级。0 dB 是人刚能听到的最微弱的声音;30~40 dB 是较为理想的安静环境;70 dB 会干 扰谈话,影响工作效率;长期生活在 90 dB 以上的噪声环境中,听力会受到严 重影响并产生神经衰弱、头疼、高血压等疾病;如果突然暴露在高达 150 dB 的噪声环境中,鼓膜会破裂出血,双耳完全失去听力。为了保护听力,声音不 能超过 90 dB ;为了保证工作和学习,声音不能超过 70 dB ;为了保证休息和 睡眠,声音不能超过 50 dB。

图 2.4-2 一些声源的分贝数

人对不同强度的声音的感觉

140 dB

90 dB

60 dB

20 dB

等级/dB

150 火箭、导弹发射 140 喷气式飞机起飞 130 螺旋桨飞机起飞 120 球磨机工作 110 电锯工作 100 拖拉机开动 90 很嘈杂的马路 80 一般车辆行驶 70 大声说话 60 一般说话 50 办公室 40 图书馆阅览室 30 卧室

20 轻声耳语 10 风吹落叶沙沙声 0 刚刚引起听觉 无法忍受

感到疼痛

很吵

较吵

较静

安静

极静

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小资料

主观感觉 声音强弱的 声音的来源

(49)

由于噪声严重影响人们的工作和生活,因此人 们把噪声叫做“隐形杀手”。现代的城市把控制噪 声列为环境保护的重要项目之一。在需要安静环境 的医院、学校和科学研究部门附近,一般有禁止鸣 笛的标志(图 2.4-4)。家用电器、机动车等在设计 时都应考虑噪声对环境的影响。

控制噪声

噪声会严重影响人们的工作和生活,因此控制噪声十分重要。我们知道,

声音从产生到引起听觉有这样三个阶段:

声源的振动产生声音——空气等介质的传播——鼓膜的振动 因此,控制噪声也要从这三个方面着手,即

防止噪声产生——阻断噪声传播——防止噪声进入耳朵

图 2.4-3 几种控制噪声的措施

工厂用的防噪声耳罩

图 2.4-3 中控制噪声的措施分别属于哪一类?

摩托车的消声器 穿过北京动物园

的“隔音蛟龙”

把正在响铃的闹钟放入盒中,听听声音的变化。取出后,分别用报 纸、海绵等不同材料包住它,再放入盒中,听声音的变化。由此你有什 么启示?你能举出一些生活中采用不同方法控制噪声的实例吗?

想想做做

图 2.4-4

(50)

1. 调查一下校园里或者你家周围有什么样的噪声。应该采取什么控制措施?与班 里的同学交流,看看谁的调查更详细,采取的措施更好。

2. 为了使教室内的学生免受环境噪声干扰,采取下面的哪些方法是有效、合理 的?如果你认为无效或不合理,简单说明理由。

(1)老师讲话声音大一些;

(2)每个学生都带一个防噪声的耳罩;

(3)在教室周围植树;

(4)教室内安装噪声监测装置。

3. 在安静环境里,测量你的脉搏在 1 min 内跳动的次数。在声音过大的环境里,

你的脉搏有变化吗?测量一下。

4. 学过“声现象”这一章后,请结合学过的知识,再加上你丰富的想象,写一篇

“无声的世界”或类似题目的科学作文。

1. 声音的产生与传播

声音是由物体的振动产生的。声音的传播需要介质,真空不能传声。15 °C 时空气中 的声速是 340 m/s。

2. 声音的特性

物体振动的频率高,发出声音的音调高;物体振动的振幅大,发出声音的响度大。

不同发声体的材料、结构不同,发出声音的音色也不同。

3. 声的利用

声作为一种波,既可以传递信息,又可以传递能量,应用非常广泛。人们把高于

20 000 Hz的声叫做超声波,把低于 20 Hz 的声叫做次声波。次声波传播的距离很远。超

声波产生的振动比可闻声更加强烈。

4. 噪声的危害和控制

噪声是严重影响我们生活的污染之一。人们以分贝(dB)为单位来表示声音强弱的 等级。0 dB 是人刚能听到的最微弱的声音。控制噪声可以从“防止噪声产生——阻断噪 声传播——防止噪声进入耳朵”三个方面着手。

动手动脑学物理

学到了什么

(51)

初冬。一夜之间,小城变成了冰清玉洁的银色 世界。落光了叶子的树枝上挂满了毛茸茸、亮晶晶 的银色冰花,在阳光下耀人眼目。树上的枝条在风 中摇曳,不时飘下点点冰晶,宛如晨雾漫卷。

自然界中这样奇特的现象举不胜举,真可谓千 姿百态。那么你知道物质通常有几种状态,这些状 态之间如何转化吗?让我们一起来探知这形态各异 的物质世界吧。

第三章  物态变化

參考文獻

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