摘要:“转轴拨弦三两声,未成曲调先有情。”当弦被轻轻拨动,那微微的颤动仿佛是一场奇妙物理之旅的开端。没错,声音正是由物体振动产生的。且看吉他弦在指尖的拨弄下欢快振动,进而发出悦耳音符;音叉被敲击后,其振动清晰可见,放入水中,激起的层层水花便是振动发声的有力证明;蜜蜂
一、声音的产生与传播
“转轴拨弦三两声,未成曲调先有情。”当弦被轻轻拨动,那微微的颤动仿佛是一场奇妙物理之旅的开端。没错,声音正是由物体振动产生的。且看吉他弦在指尖的拨弄下欢快振动,进而发出悦耳音符;音叉被敲击后,其振动清晰可见,放入水中,激起的层层水花便是振动发声的有力证明;蜜蜂挥动着小巧的翅膀高速振动,那“嗡嗡”声恰似大自然演奏的独特旋律;还有笛子,吹奏时笛内空气柱振动,悠扬笛声便袅袅传出。
声音的传播也别有一番奥秘。“两岸猿声啼不住,轻舟已过万重山。”这猿声能被诗人听闻,是因为声音的传播需要介质。在 1 个标准大气压和 15℃时,声音在空气中速度约 340m/s,且在不同介质中速度各异,固体中最快,液体次之,气体最慢。古代士兵深谙此道,枕着箭筒睡觉,凭借大地(固体)传声快的特性,能更早察觉远处敌军马蹄声;而在水中嬉戏时,我们也能听到岸上人们的呼唤,这便是声音通过液体传播的实例。
当声音在传播途中遇到障碍物,一场奇妙的回声现象便应运而生。“空山不见人,但闻人语响。”在空旷的山谷中,声音被反射回来,形成回声。在空荡荡的大礼堂,我们讲话时会听到明显回声;在山谷间放声大喊,回声悠悠传来。当回声与原声时间间隔大于 0.1s,人耳便能区分,就像在宽敞而空寂的房间里,回声与原声清晰可辨;若小于 0.1s,二者混合使原声加强,如在温馨的小房间里说话,会感觉声音更加饱满圆润。
二、声音的特性
“大弦嘈嘈如急雨,小弦切切如私语。嘈嘈切切错杂弹,大珠小珠落玉盘。”从这琵琶弦的弹奏中,我们仿佛能触摸到声音特性的奇妙脉络。其中,音调的高低变化尽显无疑。音调取决于物体振动的频率,频率越高则音调越高。就像粗细不同的琴弦,在同样力度的拨弄下,细弦振动迅速、频率高,音调也就高昂;蚊子飞行时,翅膀快速振动,发出尖细的声音;而老牛发声时,声带振动缓慢,频率低,声音便低沉浑厚。
再看响度,“渔阳鼙鼓动地来,惊破霓裳羽衣曲。”鼙鼓那震天动地的响声,生动地诠释了响度的概念。响度与物体振动幅度以及距离发声体的远近相关。敲鼓时,用力越大,鼓面振幅越大,响度自然越大;在近处聆听鞭炮声,其炸裂的声响比在远处要响亮得多;当我们调节音响音量时,实际上是在改变扬声器的振动幅度,从而增大或减小响度。
音色则宛如声音的独特“指纹”。“昆山玉碎凤凰叫,芙蓉泣露香兰笑。”不同的乐器即便演奏同一音符,也能凭借其独特的音色被我们轻易分辨。小提琴的悠扬、二胡的婉转,即使音调、响度相近,音色却大相径庭;每个人的声音也是如此,熟人之间凭借音色就能准确辨别出是谁在说话,这是因为发声体的材料、结构等因素决定了音色的独特性。
三、声音的利用
“黄梅时节家家雨,青草池塘处处蛙。有约不来过夜半,闲敲棋子落灯花。”诗人在这雨夜中,通过蛙声获取了周围环境的信息,这便是声音传递信息的生动体现。蝙蝠在黑暗中自由穿梭,利用超声波回声定位来捕食和导航,它们发出高频超声波,凭借反射波精准确定猎物和障碍物的位置;医生借助听诊器聆听心肺声音,以此判断身体的健康状况,心肺活动产生的声音通过听诊器的探头收集并放大,为诊断提供关键依据;地震前夕,地下岩石破裂产生的次声波,虽人耳难以察觉,但一些动物却能敏锐感知,如狗的狂吠、家禽的焦躁不安,人们也可通过专门仪器监测次声波,提前预测地震的来临。
声音不仅能传递信息,还蕴含着能量。“高声喧哗”不仅影响他人,也从侧面展示了声音具有能量这一特性。超声波清洗机利用超声波使清洗液剧烈振动,产生强大冲击力,将物体表面污垢轻松剥离,广泛应用于精密仪器零件的清洗;在医疗领域,超声波碎石技术更是大放异彩,高能超声波聚焦在结石上,使结石在振动中破碎,随后随尿液排出体外;此外,渔业生产中利用声呐探测鱼群,声呐发出声波,依据反射波的情况准确判断鱼群的位置、大小和游动方向,这也是声音传递信息与能量完美结合的实例。
四、噪声的危害和控制
“蝉噪林逾静,鸟鸣山更幽。”这里的“噪”与“静”相互映衬,凸显出噪声的干扰性。从物理学角度而言,噪声是发声体无规则振动发出的声音;从环保角度出发,凡是妨碍人们正常生活、工作、学习以及干扰人们想听声音的,皆属于噪声范畴。建筑工地的机器轰鸣声、街道上汽车的喇叭声、喧闹市场的嘈杂声等,在不恰当的场景和时间出现,便成为令人厌烦的噪声,严重影响人们的休息、学习和交流。
声音强弱以分贝(dB)为衡量单位。0dB 是人刚能听到的最微弱声音;30 - 40dB 是宁静舒适的环境,有利于睡眠和休息;当环境噪声达到 70dB 时,便会干扰正常谈话,例如办公室内噪声超标,工作效率就会大打折扣;长期处于 90dB 以上的噪声环境,如工厂车间,会对听力造成不可逆的损害,甚至导致耳聋;机场附近噪声常常超过 100dB,给周边居民的生活和健康带来极大的干扰和危害。
面对噪声的困扰,我们可以从多个方面进行控制。在声源处减弱噪声,比如给摩托车安装消声器,有效降低发动机排气噪声的产生;在传播过程中,通过在道路两旁种植树木、设置隔音屏障等方式,阻挡和吸收部分噪声,使传到居民区的声音减弱;在人耳处,工人在高噪声车间佩戴耳塞、耳罩,削弱进入耳朵的噪声强度,保护听力免受侵害。
同学们,在学习“声现象”这一奇妙的物理知识领域时,让我们紧密结合生活实例以及诗词曲剧中蕴含的丰富物理智慧,用心去观察、去思考,通过简单易行的实验深入探究,不断加深对这些概念和规律的理解与掌握,从而为后续的物理学习之路奠定坚实而稳固的基础,开启探索物理世界奥秘的精彩旅程。
来源:初夏教育