振动和波声学.doc

第五章 振动和波 声学 人类生活在运动的世界里，机械运动是最常见的运动。在机械运动中，除了平动和转动之外，振动也是一种常见的运动。琴弦的振动，让人们欣赏到优美的音乐；地震则可能给人类带来巨大的灾难。震动现象比比皆是。我们将从最简单的情况出发，学习怎样描述振动，振动有什么性质。第一节 简谐运动振动现象在自然界中广泛存在。钟摆的摆动、水中浮标的上下浮动、担物行走时扁担下物体的颤动、树梢在微风中的摇摆 都是振动，一切发声的物体都在振动，地震是大地的剧烈振动，振动与我们的生活密切相关。 图5-1弹簧振子 如图5-1所示，把一个有孔的小球装在弹簧的一端，弹簧的另一端固定， 图5-2小球穿在光滑的杆上，能够自由滑动，两者之间的摩擦可以忽略，弹簧的质量与小球相比也可以忽略。把小球拉向右方，然后放开，它就左右运动起来。小球原来静止时的位置叫做平衡位置, 小球在平衡位置附近的往复运动，是另一种机械振动，简称振动。这样的系统称为弹簧振子.振子在振动过程中，所受的重力和支持力平衡，对振子的运动没有影响，使振子发生振动的只有弹簧的弹力弹力的方向跟振子偏离平衡位置的位移方向总是相反的，并且总是指向平衡位置，它的作用是力图使振子返回平衡位置，所以把这个力叫做回复力根据胡克定律，在弹簧发生弹性形变时，小球受到的回复力F 跟振子对平衡位置的位移x成正比，即F =-kx 式中的k 是比例常数，对弹簧振子来说，就是弹簧的劲度；负号表示回复力的方向跟振子偏离平衡位置的位移方向相反像弹簧振子那样，物体在跟位移大小成正比，并且总是指向平衡位置的回复力的作用下的振动，叫做简谐运动 描述简谐运动的物理量 我们以弹簧振子为例来研究描述简谐运动的物理量。 振幅 如图5-2 ，振子在水平杆上的A点和B点之间往复振动，O为它的平衡位置。图中OA=OB，它们是振动物体离开平衡位置的最大距离，叫做振动的振幅。振幅的两倍表示的是做振动的物体运动范围的大小。周期和频率 简谐运动是一种周期性运动。图5-2 中，如果从振子向右通过O点的时刻开始计时，它将运动到A ，然后向左回到O，又继续向左运动到达B，之后又向右回到O。这样一个完整的振动过程称为一次全振动。不管以哪里作为开始研究的起点，例如从图中的O开始运动，弹簧振子完成一次全振动的时间总是相同的。 做简谐运动的物体完成一次全振动所需要的时间，叫做振动的周期，单位时间内完成全振动的次数，叫做振动的频率。周期和频率都是表示物体振动快慢的物理量，周期越小，频率越大，表示振动越快。用T 表示周期，用f 表示频率，则有f =在国际单位制中，周期的单位是秒。频率的单位是赫兹，简称赫，符号是Hz 。1 Hz = 1s-1。观察弹簧振子的运动可以发现，开始时拉伸（或压缩）弹簧的程度不同，振动的振幅也就不同，但是对同一个振子，振动的频率（或周期）却是一定的，与振幅无关简谐运动的频率由振动系统本身的性质所决定，如弹簧振子的频率由弹簧的劲度与振子的质量所决定，与振幅的大小无关，因此又称为振动系统的固有频率 问题和练习：1、有的同学说，“振动物体完成一次全振动就是从最左端运动到平衡位置的最右端”这种说法对吗？为什么？2、关于简谐运动，下列说法中正确的是：A 回复力总指向平衡位置；B 回复力的大小是不变的；C 回复力的方向是不变的；D 回复力的方向总与速度的方向一致；E 回复力的大小与振动物体离开平衡位置的位移成正比，回复力的方向与位移方向相反 3、图5-2 中弹簧振子的振幅是2cm ，小球在一次全振动中通过的路程是多少？如果频率是5 Hz ，小球每秒通过的路程是多少？ 4、某一弹簧振子完成10 次全振动需要2 s的时间，在此时间内通过的路程是80cm 求此弹簧振子的振幅、周期和频率第二节 单摆单摆 生活中经常可以看到悬挂起来的物体在竖直平面内摆动，摆动属于一种什么运动呢？我们用细线悬挂着的小球来研究摆动的规律。图5-3在图5 -3 中，如果悬挂小球的细线的伸缩和质量可以忽略，线长又比球的直径大得多，那么这样的装置就叫做单摆拉开摆球，使它偏离平衡位置，然后放开，摆球就在重力G 和线的拉力F的共同作用下，沿着以平衡位置O 为中点的一段圆弧做往复运动，这就是单摆的振动理论上可以证明，在偏角很小的情况下，单摆所受回复力的方向与摆球的位移方向相反，回复力的大小与摆球的位移成正比，所以，单摆做简谐运动如果单摆的振幅比较大，它的运动规律就和简谐运动差得比较多了 单摆的回复力 我们在一般条件下研究单摆是不是做简谐运动，最简单的方法是看它的回复力是否满足F=-kx的条件。 图5-4摆球静止在O 点时，悬线竖直下垂，摆球受到的重力G 与悬线的拉力F´平衡。小球受的合力为零，可以保持静止，所以O 点是单摆的平衡位置。拉开摆球，使它偏离平衡位置，放手后摆球所受的重力G 与拉力F´不再平衡。在这两个力的合力的作用下，摆球沿着以平衡位置O 为中心的一段圆弧AA´做往复运动，这就是单摆的振动。 因为摆球沿圆弧运动，因此可以不考虑沿悬线方向的力，只考虑沿圆弧方向的力。当摆球运动到某点P时（图5-4) ，摆球在圆弧方向上受到的只是重力在这个方向的分力F=mgsin，这就是它的回复力。在偏角很小时，摆球对于O 点的位移x 的大小，与角所对的弧长、 角所对的弦都近似相等，因而sin，所以单摆的回复力为 F=-x其中l为摆长，x 为摆球偏离平衡位置的位移，负号表示回复力F 与位移x 的方向相反。由于m、g、l 都有确定的数值，可以用一个常数k 表示，于是上式写成F=-kx可见，在偏角很小的情况下，摆球所受的回复力与它偏离平衡位置的位移成正比，方向总是指向平衡位置，因此单摆做简谐运动。单摆的周期 不同的单摆，摆动的周期不同那么，单摆的周期跟哪些因素有关呢？跟摆球的质量有关吗？跟摆长、振幅呢？下面我们用实验来研究这个问题 取一个长约lm 的单摆，在偏角很小（如10°左右）的清况下，测出它振动一定次数（如50 次）所用的时间，算出单摆的周期在偏角更小的情况下，同样测出单摆的周期然后取摆球相同，摆长不同的单摆，分别测出它们的周期最后取摆长相同，摆球的大小相同但是质量不同的单摆，再测它的周期，通过实验我们发现，单摆的周期跟摆球的质量没有关系，在振幅不很大的时候，跟它的振幅也没有关系；但是单摆的周期跟摆长有关，摆长越长，周期越大荷兰物理学家惠更斯（1629 一1695 ）研究了单摆的振动，发现单摆做简谐运动的周期T 跟摆长l的二次方根成正比，跟重力加速度g的二次方根成反比，跟振幅、摆球的质量无关，并且确定了如下的单摆周期的公式为： =2惠更斯利用摆的等时性发明了带摆的计时器，就是我们今天摆钟的前身，由于摆的周期可以通过改变摆长来调节，所以用起来很方便由于实验中可以准确地测出单摆的周期和摆长，所以利用单摆能够测定各地的重力加速度。 问题和练习： 1、一个理想的单摆，已知其周期为T 。如果由于某种原因（如转移到其他星球）自由落体加速度变为原来的1/2,振幅变为原来的1/3,摆长变为原来的1/4，摆球质量变为原来的1/5，它的周期变为多少？2、周期是2s 的单摆叫做秒摆，秒摆的摆长是多少？把一个地球上的秒摆拿到月球上去，已知月球上的自由落体加速度为1.6m/s2 ，它在月球上做50 次全振动要用多少时间？3、单摆的摆长为30cm ，重力加速度g = 9.81 m/s2，求单摆的周期.4、一位物理学家通过电视机观看宇航员登月球的情况他发现，在发射到月球上的仪器舱旁边悬挂着一个重物，在那里摆动悬挂重物的绳长跟宇航员的身高相仿这位物理学家看了看自己的手表，测了一下时间，于是他估测出月球表面上的自由落体加速度他是怎样估测的？第三节 外力作用下的振动 共振简谐运动的能量 弹簧振子和单摆在振动过程中动能和势能不断地发生转化。在平衡位置时，动能最大，势能最小；在位移最大时，势能最大，动能为零。在任意时刻动能和势能的总和，就是振动系统的总机械能。弹簧振子和单摆是在弹力和重力的作用下发生振动的，如果不考虑摩擦和空气阻力，只有弹力和重力做功，那么，振动系统跟振幅有关，振幅越大，机械能就的机械能守恒。振动系统的机械能就越大。对简谐运动来说，一旦供给振动系统以一定的能量，使它开始振动，那么由于机械能守恒，它就以一定的振幅永不停息地振动下去。简谐运动是一种理想化的振动。做简谐运动的物体受到的回复力，是振动系统内部的相互作用力。如果振动系统不受外力的作用，此时的振动叫做固有振动，其振动频率称为固有频率。想一想： 如果振动系统受到外力作用，它将如何运动？ 图5-5阻尼振动 振动系统最常见的外力是摩擦力或其他阻力。当系统受到阻力的作用时，我们就说振动受到了阻尼。系统克服阻尼的作用要做功，消耗机械能，因而振幅减小，最后停下来。这种振幅逐渐减小的振动，叫做阻尼振动。图5-5是阻尼振动的图象。振动系统受到的阻尼越大，振幅减小得越快。阻尼过大时，系统不能发生振动。阻尼越小，振幅减小得越慢，当阻尼很小时，在不太长的时间内看不出振幅有明显的减小，于是可以把它当做简谐运动来处理。前面关于简谐运动的演示就属于这种情形。受迫振动 阻尼振动最终要停下来，那么怎样才能产生持续的振动呢？最简单的办法是使周期性的外力作用于振动系统，外力对系统做功，补偿系统的能量损耗，使系统的振动维持下去。这种周期性的外力叫做驱动力，系统在驱动力作用下的振动叫做受迫振动。机器运转时底座发生的振动、扬声器纸盆的振动，都是受迫振动。共振 通过以上研究我们知道，不管系统的固有频率如何，它做受迫振动的频率总等于驱动力的频率，与系统的固有频率无关。但是，在一定驱动力作用下的受迫振动，其振幅是否也跟它的固有频率无关呢？ 图5-6虽然物体做受迫振动的频率跟物体的固有频率无关，但是驱动力的频率是否与固有频率接近，也会显著影响物体的振动实验 我们用图5-6所示的装置来研究这个问题在一根张紧的绳子上挂几个摆，其中A 、B 的摆长相等当A 振动的时候，通过张紧的绳子给其他各摆施加驱动力，使它们做受迫振动驱动力的频率等于A 摆的频率各摆的固有频率决定于各自的摆长实验表明，固有频率跟驱动力频率相等的B 摆振幅最大，固有频率跟驱动力频率相差很大的c摆和D，振幅很小。驱动力的频率跟物体的固有频率相等时，受迫振动的振幅最大，这种现象叫做共振问题和练习：1、如图5-7所示，一个竖直圆盘转动时，固定在圆盘上的小圆柱带动一个T 形支架在竖直方向振动，T 形支架的下面系着一个弹簧和小球组成的振动系统，小球浸没在水中。当圆盘静止时，让小球在水中振动，其阻尼振动的频率约为3Hz。现使圆盘以4s的周期匀速转动，经过一段时间后，小球振动达到稳定，它振动的频率是多少？2、 如图5-8所示，张紧的水平绳上吊着A 、B 、C 三个小球。B 靠近A，但两者的悬线长度不同；C 远离球A，但两者的悬线长度相同。( l ）让球A 在垂直于水平绳的方向摆动，将会看到B 、C 琢有何表现？( 2 ）在C 球摆动起来后， 用手使A 、B 球静止，然后松手，又将看到人A、B球有何表现？ 3、汽车的车身是装在弹簧上的，某车的车身一弹簧系统的固有周期是1.5s。这辆汽车在一条起伏不平的路上行驶，路面凸起之处大约都相隔8m。汽车以多大速度行驶时，车身上下颠簸得最剧烈？ 图5-7 图5-8 第四节 机械波这是一个波动的世界：我们每天听到各种声音，我们熟悉水波，知道光波，我们要用到无线电波，还听说过引力波 我们用超声波清洗眼镜，用“ B 超”诊断疾病 狂风巨浪船舶颠簸，地震波对建筑物造成破坏 波具有能量、携带信息。我们应该认识波，了解波的特性和规律，以便更好地利用它，并预防和减轻它造成的破坏。波的形成和传播 你看过艺术体操中的“带操”表演吗？运动员手持细棒抖动彩带的一端，彩带随之波浪翻卷。（图5-9）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。图5-9在这个例子中，彩带是波传播的媒介物，我们就把它叫做介质。一般说来，机械振动在介质中传播，就形成了机械波。如果水面有一片树叶，当波传来的时候树叶随着水面上下振动，但是它不会沿着波传播的方向漂去。 这表明机械波只是机械振动这种运动形式的传播，介质本身不会沿着波的传播方向移动。横波和纵波 图5-10表现的是绳子中传播的波，在这列波中质点上下振动，波向右传播，二者的方向相互垂直。质点的振动方向与波的传播方向相互垂直的波，叫做横波。在横波中，凸起的最高处叫做波峰，凹下的最低处叫做波谷。 图5-10 图5-11我们再看另外一种波。将一根长而软的弹簧水平放于光滑平面，沿着弹簧轴线的方向不断推、拉弹簧，于是产生了弹簧圈密集的部分和弹簧圈稀疏的部分。（图5-11）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。我们把一系列弹簧圈看成一系列质点，它们之间由弹力联系着。手执弹簧左右振动起来以后，前面的质点依次带动后面的质点左右振动，但后一个质点总比前一个质点迟一些开始振动，也就是说，后一个质点的振动总比前一个质点落后一些。这样，弹簧一端左右振动的状态就沿弹簧传播开来。从整体上看，就是疏密相间的波在弹簧上传播。在图5-11 所示的波中，质点左右振动，波向右传播，二者的方向在同一直线上。质点的振动方向与波的传播方向在同一直线上的波，叫做纵波。在纵波中，质点分布最密的位置叫做密部，质点分布最疏的位置叫做疏部。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。声波传人人耳，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。波长、频率和波速 波动也是一种周期性运动，描述波动常用的物理量是频率、周期、波长和波速。波是由波源的振动产生的，介质中各质点振动的频率都等于波源振动的频率，我们把这个频率叫做波的频率，通常用字母f 表示，单位是赫兹（Hz ) . 介质中一个质点做一次全振动所用的时间叫做波的周期，通常用字母T 表示，单位是秒（s）周期等于频率的倒数，即f =人耳能听到的声波频率约在20Hz一20 kHz之间. 男低音歌唱家发出的声音可以低到65Hz ，而女高音歌唱家发出的声音则可以高达1180Hz。波的频率只决定于波源的振动情况，与介质无关。所以，波在不同介质中传播时频率不变。横波中相邻的两个波峰（或波谷）间的距离总是相等的；在纵波中，相邻的两个密部（或疏部）间的距离也总是相等的。其实，由于波动的周期性，不仅仅是波峰（或波谷）、密部（或疏部）有上述的特点，相邻的每二个振动情况相同的点，它们之间的距离都相等。 物理学中把这个距离叫做波长，通常用表示。从上面的分析中不难看出，在波动的一个周期内各质点的振动情况完全恢复原状，波传出一个波长的距离。波速是表示波传播的快慢的物理量，波速v等于波长除以周期，即V=或 V=f机械波在介质中传播的速度由介质本身的性质决定，跟频率没有关系即不同频率的波在同一介质中的传播速度相同，但同一频率的波在不同介质中的波速可能不同。波传递能量 在波的传播过程中，尽管绳上各点只在其平衡位置附近振动，并没有随波一起传播，但是波传来时开始振动，表明这些质点获得了能量这些能量是从波源传来的，如果波源不断地振动，那么能量就会不断地从波源向外传播出去。所以波在传播振动这种运动形式的同时，也将波源的能量传递出去因此，波是传递能量的一种方式。做一做：你面前有一盆平静的水。用笔尖轻点水面，观察水波的产生。使笔尖周期性地轻点同一处水面，观察水波的传播。在水面任意位置放一片纸屑，重复前面的操作，观察纸屑的运动。回答下面的问题：1、 笔尖在做水面运动？与笔尖接触的水面在做什么运动？2、 盆中其他位置的水面在做什么运动？3、 水波向外传播的过程中，纸屑怎样运动？问题和练习：1、一个高个子人和一个矮个子人并肩行走，哪个人的双腿前后交替更为频繁？如果拿这两个人与两列波做类比，波长、频率、波速分别可以比做什么？2、 据你所知，人能听到的声音的最低频率和最高频率大致各是多少？你知道自 己能听到的声音的最高频率吗？你认为可以用什么方法来测定？3、 海面上停着一条船，一个人观察到每隔10s 有一个波峰经过这条船，他还注意到相邻波峰间的距离大约是150m。试由这些数据估算海面波浪的速度。4、湖面上停着A 、B 两条小船，它们相距20m 。一列水波正在湖面上传播，每条小船每分钟上下浮动20 次。当A 船位于波峰时，B船在波谷，两船之间还有一个波峰。求水的波速。 第五节 波的衍射和干涉波的衍射 在水波槽里，水波遇到挡板会发生反射。如果把挡板换成一个小障碍物，小障碍物的大小比波长还小，水波会绕过它继续传播。在水塘里，微风激起的水波遇到小石、芦苇等细小的障碍物，会绕过它们继续传播，好像它们并不存在。在波的前进方向上放一个有孔的屏，可以看到波通过小孔而在屏的后面向各个方向传播。 波可以绕过障碍物继续传播，这种现象叫做波的衍射。现在用实验研究在什么条件下能够发生明显的衍射现象。演示：在水槽里放两块挡板，中间留一个狭缝，观察水波通过狭缝后的传播情况。保持水波的波长不变，改变狭缝的宽度，观察水波的传播情况有什么变化。图5-12通过实验可以看到，在狭缝宽度比波长大得多的情况下，波的传播如同光沿直线传播一样，在挡板后面产生“阴影区”（图5-12甲）；在狭缝宽度与波长相差不多或者狭缝宽度比波长更小的情况下，发生明显的衍射现象，水波可以绕到挡板后面继续传播（图5-12乙）。图5-13保持狭缝的宽度不变，改变水波的波长，观察波的传播情况有什么变化。图5-13是实验时拍摄的照片。在甲、乙、丙三幅照片中，波长分别是狭缝宽度的、。对比这三张照片会再次看到，波长与狭缝的宽度相差不大时，有明显的衍射现象，随着波长的减小，衍射现象变得不明显。可以预料，当波长与狭缝宽度相比非常小时，水波将沿直线传播，观察不到衍射现象。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。不只是水波，声波也能发生衍射。“闻其声而不见其人”这是司空见惯的现象。通常的声波，波长在1.7 cm 一17m 之间，可以跟一般障碍物的尺寸相比，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。后面我们将会学到，光也是一种波，光波的波长约在0.4-0.7m 的范围内，跟一般障碍物的尺寸相比非常小，所以通常的情况下看不到光的衍射，我们就说光沿直线传播。 一切波都能发生衍射。衍射是波特有的现象。波的叠加 在介质中常常有几列波同时传播，例如把两块石子在不同的地方投人池塘，就有两列波在水面传播。两列波相遇时，会不会像两个小球相碰时那样，改变各自的运动状态呢？图5-14仔细观察两列相遇的水波，也可以看到，两列水波相遇后彼此穿过，仍然保持各自的运动状态，继续传播，就像没有跟另一列水波相遇一样。(图5-14)图5-15波的干涉的示意图波的干涉 怎样解释上面观察到的现象呢？如图5-15 所示，用两组同心圆表示从波源发出的两列波的波面，浅色线圆表示波峰，黑线圆表示波谷。浅色线圆与黑线圆间的距离等于半个波长，浅色线与浅色线、黑线与黑线之间的距离等于一个波长。如果在某一时刻，水面上的某一点（例如图中的M点）式两列波的波峰和波峰相遇，那么经过半个周期，一定是波谷和波谷相遇。波峰和波峰相遇时，质点向上的位移最大，等于两列波的振幅之和；波谷与波谷相遇时，尽管质点的位移是向下的，但也是最大，也等于两列波的振幅之和。因此，在这一点，两列波引起的振动始终是加强的，质点的振动最剧烈，振动的振幅等于两列波的振幅之和如果在某一时刻，水面上的基一点（例如图中的N点）式两列波的波峰和波谷相遇，经过半个周期，就变成波谷与波峰相遇。在这一点，两列波引起的振动始终是相互削弱的，质点振动的振幅等于两列波的振幅之差。如果两列波的振幅相同，质点振动的合振幅就等于零，水面保持平静。在图5-15中，浅色线圆与浅色线圆的交点，或者黑线圆与黑线圆的交点，是振动的加强区，它们连成的区域用粗实线画出；浅色线圆与黑线圆的交点为振动的减弱区，它们连成的区域用粗虚线画出。从图中可以看出，情况与实验结果是一致的。可见，频率相同的两列波叠加，使某些区域的振幅加大、某些区域的振幅减小，这种现象叫做波的干涉，形成的图样常常称为干涉图样。产生干涉的必要条件是，两列波的频率必须相同。如果两列波的频率不同，相互叠加时各个质点的振幅是随时间变化的，不会出现振动总是加强或总是减弱的区域，因而不能产生稳定的干涉图样。不仅水波，声波、电磁波等一切波都能发生干涉。跟衍射一样，干涉也是波特有的现象。说一说： 为什么用超声波定位？ 医生诊病时用一种俗称“B超”的仪器探测人体内脏的位置，发现可能的病变。这种仪器通过它的探头不断向人体发出短促的超声波（频率很高，人耳听不到的声波）脉冲，超声波遇到人体不同组织的分界面时会反射回来，又被探头接收。这些信号经电子电路处理后可以合成体内脏器的像，医生分析这些影像，做出医学诊断。说一说，这样的仪器为什么要使用超声波而不用普通的声波？问题和练习：1、以下关于波的衍射的说法，正确的是A 波遇到障碍物时，一定会发生明显的衍射现象；B 当障碍物的尺寸比波长大得多时，会发生明显的衍射现象；C 当孔的大小比波长小时，会发生明显的衍射现象；D 通常的讲话产生的声波，经过尺寸为lm 左右的障碍物时会发生明显的衍射现象。 2、当两列水波发生干涉时，如果两列波的波峰在P点相遇，下列说法正确的是A 质点P 的振动始终是加强的；B 质点P 的振幅最大；C 质点P 的位移始终最大；D 质点P的位移有时为零。3、图5-16表示两列频率相同的横波相遇时某一时刻的情况，实线表示波峰，虚线表示波谷。( l ）请描述一个周期内M 、N 两个质点的运动情况。( 2 ）用空心小圆圈把半个周期后图中具有最大正位移的点标出来，用实心小圈把半个周期后图中具有最大负位移的点标出来。( 3 ）把图中比较“平静”的地方用虚线标出来。 图5-16第六节 有趣的声学现象 乐音和噪声 我们生活的世界充满了声音优美动听的音乐可以陶冶情操，给人以美的享受，而电锯锯木的声音、小刀刮玻璃的声音使人感到刺耳难听可见，声音可以分为两种：悦耳动听的声音叫做乐音，令人厌烦的声音叫做噪声 双耳效应 耳朵是人的重要听觉器官每个人都长着两只耳朵然而，你知道两只耳朵有什么作用吗？为了了解这一点，可以和同学们一起做下面的实验请一位同学站在讲台前，用黑布蒙上双眼，用耳塞堵住一只耳朵，并让他在原地转几圈在教室任一角落里的另一位同学敲响一支音叉，请这位同学判断音叉的方位他判断得准确吗？ 如果让这位同学取出耳塞，另一位同学再敲响音叉，请他再判断音叉的方位这次他判断得准确吗？实验表明，凭听觉判断声源的方位，用两只耳朵比一只耳朵准确得多这是为什么？人的两耳位于头的两侧如果声源不是在头的正前方或正后方，从声源到两只耳朵的距离是不相等的，因此两只耳朵对声源传出的声音有些不同的感受首先是两耳感到声音的响度有些区别，再有是两耳听到同一声音的时间有些差异，如果声源在头的左侧，左耳先听到，右耳后听到这两种差异是辨别声源方向的重要基础，这种差异越大，判断声源方向越准确人耳对声源方位判断的准确度可达±2º 左右这种效应叫做双耳效应立体声 双耳效应能建立起声音的立体感人们在剧场欣赏交响乐队的演奏时，由于各种乐器在舞台上有一定的分布，各种乐器发出的声音混合后给人一种空间上的扩散感和深度感，声音呈立体化，叫做立体声 如图5-17，当只有一个音箱时，人听到的声音是单调的，但如果有两个音箱，人耳就能听到立体声了。 图5-17声音的反射和吸收 各种波在传播过程中如果遇到障碍物，都会发生反射，声波也是如此我们在初中学过的回声现象，就是声波在遇到较大的障碍物后反射回来，传入人耳再次被听到而形成的声波遇到较大的障碍物时总要发生反射，但有时却听不到回声障碍物较远，反射的声波到达人耳比原声滞后0.1s以上时，才能分辨出回声通常在室内讲话时，墙壁反射回来的声音与原来的讲话声合在一起，耳朵分辨不出来，只是感到比在空旷的操场上讲话的声音更响些夏日的雷声，有时隆隆地延续几秒钟以上，一部分原因就是声波在云层、山岳和地面间多次反射造成的在空旷的大房子里说话，也会因多次反射而感到余音缭绕波在传播和反射过程中，一部分能量要被吸收因此，停止发声后，声音终将消失声源停止发声后，声音由于反射而持续的时间叫做混响时间混响时间的长短是设计音乐厅、剧院和礼堂时必须考虑的，它跟房间的大小和形状有关，跟室内物品材料的性质和人数的多少也有关系坚硬的物体，如大理石、混凝土、玻璃、金属等，反射声波的能力强，吸收声波的能力弱；柔软的物体，如地毯、天鹅绒、毛毡等，反射声波的能力弱，吸收声波的能力强如果给室内墙壁上装上吸声能力强的材料，它的混响时间就短，反之，混响时间就长混响时间过长，会使声音互相重叠，模糊不清；而混响时间过短，又给人以声音单调、不丰满的感觉一般来说，讲演厅的混响时间应该比音乐厅的混响时间小些对于不大的房间，最好的混响时间是1s左右。房间容积较大，混响时间也应适当大些。对于1000Hz的声音，北京首都剧场混响时间空座时为1.2s，坐满观众时的混响时间是0.8s。第七节 次声波和超声波人类能听见的声波的范围较窄，低于20H ：和高于20 kHz 的声波都不能引起听觉低于20 Hz 的声波叫做次声波，高于20 kHz的声波叫做超声波次声波和超声波虽然不能引起人类的听觉，但是它们对人类仍有着很大的实际意义次声波 地震、台风、火山爆发、龙卷风等大自然的活动会产生强大的次声波人类的活动，如核爆炸、火箭起飞、奔驰的车辆的振动等也会产生相当强的次声波次声波的频率低，波长大，容易发生衍射，在传播过程中遇到障碍物很难被阻挡住，常常会一绕而过，在某些情况下，巨大的山峦也无法阻挡它的传播声波在传播过程中，频率越高，衰减越大次声波由于频率很低，在传播过程中衰减很小因此，次声波可以传得很远很远很强的次声波对人和动物是有害的人、动物的各个器官都有自已的固有频率，例如，人体内脏的固有频率在10Hz以下如果人耳听不见的次声与人的某个器官的固有频率相同，就会引起共振因此，次声对人的心脏、听觉、视力、语言会产生影响，强大的次声波会导致人的死亡，动物实验发现，强次声波能使狗呼吸困难，使栗鼠的耳膜振破，甚至使一些动物心脏破裂而死亡由于次声波的速度比地震引起的巨大海浪的传播速度、台风中心的移动速度都快，利用次声波的资料能够预报破坏性很大的海啸、台风，以便人们及早做好预防工作。超声波 超声波有两个特点，一是能量大，二是方向性好。下面介绍一下超声波在这两方面上的应用。超声波清洗原理：清洗的超声波应用原理是由超声波发生器发出的高频振荡信号，通过换能器转换成高频机械振荡而传播到介质，清洗溶剂中超声波在清洗液中疏密相间的向前辐射，使液体流动而产生数以万计的微小气泡，存在于液体中的微小气泡（空化核）在声场的作用下振动，当声压达到一定值时，气泡迅速增长，然后突然闭合，在气泡闭合时产生冲击波，在其周围产生上千个大气压力，破坏不溶性污物而使它们分散于清洗液中，当团体粒子被油污裹着而粘附在清洗件表面时，油被乳化，固体粒子即脱离，从而达到清洗件表面净化的目的。 超声波检查：医学超声波检查的工作原理与声纳有一定的相似性，即将超声波发射到人体内，当它在体内遇到界面时会发生反射及折射，并且在人体组织中可能被吸收而衰减。因为人体各种组织的形态与结构是不相同的，因此其反射与折射以及吸收超声波的程度也就不同，医生们正是通过仪器所反映出的波型、曲线，或影象的特征来辨别它们。此外再结合解剖学知识、正常与病理的改变，便可诊断所检查的器官是否有病。超声波塑料焊接机原理：当超声波作用于热塑性的塑料接触面时，会产生每秒几万次的高频振动，这种达到一定振幅的高频振动，通过上焊件把超声能量传送到焊区，由于焊区即两个焊接的交界面处声阻大，因此会产生局部高温。又由于塑料导热性差，一时还不能及时散发，聚集在焊区，致使两个塑料的接触面迅速熔化，加上一定压力后，使其融合成一体。当超声波停止作用后，让压力持续几秒钟，使其凝固成型，这样就形成一个坚固的分子链，达到焊接的目的，焊接强度能接近于原材料强度。 学生实验五 实验：用单摆测定重力加速度实验目的 1学会用单摆测定当地的重力加速度2加深对单摆振动周期公式的理解3学会使用秒表实验原理单摆在摆角小于10°时，它的振动的周期与摆球的振幅、摆球的质量无关，只跟摆长的二次方根成正比，跟重力加速度的二次方根成反比，其固有周期为，由此可得。据此，只要测出摆长l和周期T，即可计算出当地的重力加速度g值。实验器材 铁架台（带铁夹），中心有孔的金属小球，约1m长的细线，米尺，游标卡尺（选用），秒表等。实验步骤1在细线的一端打一个比小球上的孔径稍大些的结，将细线穿过球上的小孔，制成一个单摆。2将铁夹固定在铁架台的上端，铁架台放在实验桌边，使铁夹伸到桌面以外，把做好的单摆固定在铁夹上，使摆球自由下垂。3测量单摆的摆长l：用游标卡尺测出摆球直径2r，再用米尺测出从悬点至小球上端的悬线长l´，则摆长l=l´+r。4把单摆从平衡位置拉开一个小角度（不大于5°），使单摆在竖直平面内摆动，用秒表测量单摆完成全振动30至50次所用的时间，求出完成一次全振动所用的平均时间，这就是单摆的周期T。5将测出的摆长l和周期T代入公式求出重力加速度g的值。6变更摆长重做两次，并求出三次所得的g的平均值。注意事项1选择细绳时应选择细、轻又不易伸长的线，长度一般在1m左右，小球应选用密度较大的金属球，直径应较小，最好不超过2cm。2单摆悬线的上端不可随意卷在铁夹的杆上，应夹紧在铁夹中，以免摆动时发生摆长改变、摆线下滑的现象。3注意摆动时控制摆线偏离竖直方向不超过5°，可通过估算振幅的办法掌握。4摆球摆动时，要使之保持在同一个竖直平面内，不要形成圆锥摆。5计算单摆的振动次数时，应以摆球通过最低位置时开始计时，以后摆球从同一方向通过最低位置时，进行计数，且在数“零”的同时按下秒表，开始计时计数。