人教版初中物理：2.3声的利用

曙光行动 · 发表于行业交流 2022-11-20 21:03:09

本文小编和大家一起看一下声音的第三节声音的利用，本节内容难度也并不大，主要讲解了两个知识点。因此，本文在聊完这两个知识点后，我们再来聊一聊声音的本质。

人从呱呱坠地时起，就开始利用声音了。妈妈能从婴儿的啼哭声中发现宝宝情绪的变化；税收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。总的来说，人类利用声音主要包括以下两个方面：声音可以传递信息、声音可以传递能量。

一、声与信息

我们原来学习过，人教版教材把“声”分为三类：声音、超声和次声。我们人耳能听到的声叫做声音（f：20Hz～20000Hz），频率f高于20000Hz的声成为超声，频率f低于20Hz的声成为次声。

我们人类平时的交谈与交流其实就是在利用声音传递信息，俗话说“好事不出门，坏事传千里”，指的就是信息通过声音进行传递。

对于次声的应用最熟练的莫过于大象了。大象平时就是利用次声波来进行交流的。大自然的许多活动，如地震、火山喷发、台风、海啸、核爆炸等，都伴有次声波产生。

次声波不容易衰减，不易被水和空气吸收。而且次声波的特点是传播远、能够绕过障碍物传得很远，即使在几千千米以外，使用灵敏的声学仪器也能接收到一些自然活动产生的次声波。某些频率的次声波由于和人体器官的振动频率相近甚至相同，容易和人体器官产生共振，对人体有很强的伤害性。

超声波的利用，最熟练的莫过于蝙蝠了。蝙蝠在飞行时会发出超声波，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。科学家利用这个原理发明了声呐。利用声呐系统，人们可以探知海洋的深度、鱼群的位置信息等。

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”。

生产实践中，超声的检测技术应用很广泛。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。

以上就是声音传递信息的各种事例和应用。

二、声与能量

声音不仅可以传递信息，还可以传递能量。这里从简单的生活现象就可以类比出来声音是可以传递能量的。我们在水里扔一个小石子，可以看到一圈一圈的水波向四周散去，水面上的树叶也随之起伏。也就是说水波把能量传给了树叶。声波也是一种拨动，因此，声波也可以传递能量。

通过实验我们也很容易得到这个结论。将一个扬声器对准正在燃烧的蜡烛的烛焰，开启扬声器播放音乐，我们会发现，蜡烛的烛焰会随之振动，也就是说能量通过声波传递给了蜡烛的烛焰。

生活中，我们经常利用超声波传递能量来为我们服务。因为超声波产生的振动比可闻声更加强烈，常被用来清洗物体。把被清洗的物体放在清洗液力，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清洗的物体。戴眼镜的应该都知道，我们平时去眼镜店洗眼镜，利用的就是超声波。

此外医生也常利用超声波振动除去人体内的结石：向人体的结石发射超声波，结石会被击成细小的粉末，从而可以顺畅地被排出体外。

三、声音的本质——波

声音到底是什么？其本质是一种波，什么又是波呢？

我们一起看下图，运动员手持细棒抖动彩带的一端，彩带随之波浪翻卷。这是振动在彩带上传播的结果。振动的传播称为波动，简称波。

波分为两种，一种像绳子这样的波动：绳子是上下振动的，但是形成的波动确实左右传播的，两者的方向相互垂直。物体的振动方向与波的传播方向相互垂直的波，叫做横波。

还有另外一种波，我们将一根长而软的弹簧水平放在光滑的平面，沿着弹簧轴线的方向不断拉动，于是产生了弹簧圈密集的部分和弹簧圈稀疏的部分。这样的密集部分和稀疏部分向右传播，在弹簧上形成一列波。

像这样的波中，物体在左右振动，波也是左右传播，二者的方向在同一直线上。物体的振动方向与波的传播方向在同一直线上的波，叫做纵波。

发声体振动时在空气中产生的声波是纵波！例如振动的音叉，它的叉股向一侧振动时，压缩邻近的空气，使这部分空气变密，叉股向另一侧振动时，又使这部分空气变得稀疏。这种疏密相间的状态向外传播，形成声波。声波传入人耳，使鼓膜振动，就引起声音的感觉。声波不仅能在空气中传播，也能在液体、固体中传播。

波是什么？波是振动的传播，而振动就意味着物体获得了能量，所以波在传播“振动”这种形式的同时，也将物体的能量传递出去。波是传递能量的一种方式，声波的传播实质上是在介质中能量的传递。因此，我们在初中学习的时候说声音可以传递能量。

波的衍射

既然讲到了波，就不能不提波的一个特点，那就是波的衍射。什么是波的衍射呢？

波可以绕过障碍物继续传播，这种现象叫做波的衍射。如下图，水波通过桥洞时发生衍射。

实验表明，只有缝、孔的宽度或障碍物的尺寸跟波长相差不多，或者比波长更小时，才能观察到明显的衍射现象。通常的声波，波长在1.7cm～17m之间，可以跟一般障碍物的尺寸相比了，所以声波能绕过一般的障碍物，使我们听到障碍物另一侧的声音，也就是我们平常所说的“闻其声而不见其人”。

我们平时用超声波定位，“B超”超声医疗等等，生活中我们对声音的利用大部分用的都是超声波。不知道大家有没有疑问，我们为什么要使用超声波而不用普通的声波？

其实就是利用了超声波不易衍射的特点！超声波的频率大，波长小，不易衍射。不易衍射也就意味着当超声波遇到障碍物时，大部分会被反射回来，而普通的声波频率小，波长大，易衍射，遇到障碍物的时候反射回来的声波少，不利于信号的处理。

这下大家知道为什么了吧。

四、超声波

人耳最高只能感觉到大约20000Hz的声波，频率更高的声波就是超声波（supersonic wave）了。超声波广泛地应用在多种技术中。

与可闻声相比，超声波有两个特点：一个是可以比较容易地产生大功率的超声波，一个是它几乎沿直线传播。超声波的应用就是按照这两个特点展开的。

理论研究表明，在振幅相同的情况下，一个物体振动的能量与振动频率的二次方成正比。超声波在介质中传播时，介质质点振动的频率很高，因而能量很大。在我国北方干燥的冬季，如果把超声波通入水罐中，剧烈的振动会使罐中的水破碎成许多小雾滴，再用小风扇把雾滴吹入室内，就可以增加室内空气的湿度。这就是超声波加湿器的原理。对于咽喉炎、气管炎等疾病，药品很难通过血流达到患病的部位。利用加湿器的原理，把药液雾化，让病人吸入，能够增进疗效。利用超声波的巨大能量还可以使人体内的结石做剧烈的受迫振动而破碎。

金属零件、玻璃和陶瓷制品的除垢是件麻烦事。如果把这些物品放入清洗液中，再通入超声波，清洗液的剧烈振动冲击物品上的污垢，能够很快清洗干净。

有人在墙的一侧说话，另一侧的人也能听到，这是波的衍射现象。我们已经知道，与障碍物的尺寸相比，波长越短，衍射现象越不明显。超声波的频率很高，波长很短，所以它基本上是沿直线传播的，可以定向发射。如果渔船载有水下超声波发生器，它旋转着向各个方向发射超声波，超声波遇到鱼群会反射回来，渔船探测到反射波就知道鱼群的位置了。这种仪器叫做声呐（sonar）。声呐也可以用来探测水中的暗礁、潜艇，测量海水的深度。

根据同样的道理也可以用超声波检测金属、陶瓷、混凝土制品，甚至水库大坝，检查内部是否有气泡、空洞和裂纹。

有趣的是很多动物具有完善的发射和接收超声波的器官。以昆虫为食的蝙蝠，视觉很差，飞行中不断发出超声波的脉冲，依靠昆虫身体的反射波来发现食物。海豚也有完善的“声呐”系统，使它能在混浊的水中准确地确定远处小于的位置。

现代的无线电定位器——雷达，质量有几十、几百、几千千克，蝙蝠的超声定位系统只有几分之一克，而在一些重要性能上，如确定目标方位的精确度、抗干扰的能力等，蝙蝠远优于现代的无线电定位器。深入研究动物身上各种器官的功能和构造，将获得的知识用来改进现有的设备的创制新的设备，这是近几十年来发展起来的一门新学科，叫仿生学。