第二章 声音与环境
2.1 我们怎样听见声音
本节通过“观察发声体的振动”“把声音显示出来”和“传声试验”三个活动，让同学们知道声音是怎样产生的，引出声波和声速概念，让同学们知道声音在不同介质（物质）中，传播效果是不同的。
本节学习要点
● 认识声波，知道回声是怎么一回事。
● 了解声速，记住声音在空气中传播的速度。
● 知道声音在不同的介质中传播效果是不同的。
本节学习支架
1．怎样认识声波？
让我们用看不见的介质中的微粒疏、密相间，交替变换由近及远地传播形式，即声波，与看得见的人在走路的过程中，左、右两腿相间，交替变换向前运动的形式对应起来类比联想，那么，同学们就会在比较容易地接受声波概念的同时，认识波动是自然中事物在运动和发展中前进的一种重要方式。我们常常说“社会的发展是波浪式前进的”道理就在于此。
图2-1
小组合作参照图2-1所示的装置动手自制。将装有红色液体的漏斗如图示的那样安装，并让其按照与图中三角平面垂直的方向左右摆动起来，然后再匀速拖动板面上装有纸条的小车，于是，我们便可在纸条上观察到波动图线。这说明波动传递的是振动的形式。
或者用更简便的方法，即两位同学合作，一人用铅笔在平放于水平桌面的纸条上轻轻地做上、下往返滑动，而另一人沿水平方向匀速拖动纸条，那么，纸条上就会出现铅笔留下的波形痕迹。
在今后的学习中，我们还会知道波动更重要的作用是传递能量和信息。
2．怎样认识用比值的方法来定义物理概念？
在物理学中，几乎所有的概念都是采用理性思维中科学抽象的方法获得的。所谓科学抽象，指把事物或现象中最本质的因素抽取出来的理性思维过程。
例如，决定物体运动快慢的最本质的因素是路程和时间，于是，人们将这两个因素抽取出来，采用控制变量的方法，即控制两个物体在运动时间相同的条件下比较路程，进而确定两个物体运动的快慢。这就是物理学中，用比值的方法来定义或建立速度概念的理性思维过程。
因此，在物理学中，把声音传播距离跟传播所用时间的比，叫作声速。
今后同学们在遇到像频率、密度、压强、功率、机械效率等用比值方法来定义的物理概念时，就应当会用上述的表达方式来自主地定义它们。
3．课外阅读资料。
建议阅读“首创机械计算机的帕斯卡”资料。
通过该资料的阅读，了解帕斯卡在11岁就通过实验的方法发现声音是怎样产生的道理，以及他后来在数学、计算机与物理学方面的突出贡献，进而知道为什么用“帕斯卡”的名字来命名我们后面将要学习的压强单位。
课外阅读资料
首创机械计算机的帕斯卡
帕斯卡（1623—1662）是法国数学家、物理学家。
帕斯卡（1623—1662）
他没有接受过正规的学校教育，4岁时母亲因病去世，靠既是数学家，又是政府官员的父亲和两个姐姐负责对他进行教育与培养。但是，父亲有一个错误的认识，认为学习数学太费脑子，可能会伤害这个自幼失去母亲的可怜孩子的身体，因此，将家里所有数学书籍都藏了起来，还不允许他的朋友在小帕斯卡面前讨论数学方面的问题。父亲的这一做法，反倒引起了小帕斯卡的好奇，于是，他常常偷偷地看数学书籍，想知道数学书籍中究竟隐藏了什么秘密。有一次，小帕斯卡问父亲：“什么是几何？”父亲不想跟他说更多的数学问题，便简单地告诉他：“几何就是教人在画图的时候，能作出正确美观的图。”就这样，帕斯卡经常在地面上画图，画呀，画呀，12岁的帕斯卡突然发现“三角形的内角之和等于180°”。于是，他把这个发现告诉了父亲，父亲激动、惊讶的同时，意识到自己的错误，便开始将自己藏起来的所有数学书都拿了出来给小帕斯卡阅读，小帕斯卡居然独立地发现了欧几里得的前32条定理。
19岁那年，他为了帮助父亲快速计算税收问题，便设计制造出世界上第一台机械计算机。他认为人的思维过程跟机械过程没有太大的差别，因此，提出并实践“用机械来模拟人的思维过程”这一非常了不起的想法。
帕斯卡研制的世界上第一台机械计算机
因此，他给后人留下的名言是：
“人只不过是一根芦草，是自然中最脆弱的东西，但他是一根可思想的芦草。”
帕斯卡不仅在数学上成就很大，在物理学中的贡献也很突出。例如，他在1648年做了著名的关于液体压强的“裂桶实验”，发现了液体和气体的传递压强的奥秘，后人称“帕斯卡定律”，即“加在密闭的液体或气体上的压强，能按照原来大小由液体或气体向各个方向传递”。这个规律的应用十分广泛，价值也非常高，万吨液压机、各种液压和气压传动装置均用到它，甚至在高科技领域内如机器人中也不可缺少。
为了纪念帕斯卡的贡献，国际单位制中用他的名字“帕（Pa）”作为压强的单位。1帕（Pa）=1牛/米2（N/m2）。因为他是第一个研制出机械计算机，并首先提出“用机械来模拟人的思维过程”这一重要思想的人。因此，1971年面世的“PASCAL语言”，也是为了纪念他，将他的英名长留在信息时代。
关于帕斯卡的故事
从厨师碰击盘子发出声音引起的思考
帕斯卡从小就爱思考，对一些有趣的自然现象总是想探究其中的奥秘。有一次，他在厨房里玩，听到厨师把盘子弄得叮叮咚咚地响，这引起了他的思考：为什么物体被撞击会发出声音呢？即使撞击物体离开了被撞击的物体，物体发出的声音也不会立即消失。于是，他开始动手进行试验，发现被敲击盘子的声音连绵不断，但用手按住盘子时，声音即刻停止，且手指碰到盘子时还有点发麻。于是，11岁的帕斯卡通过实验终于明白了声音是由振动而产生的道理。
关于“帕斯卡”单位的一则笑话
有人开玩笑说，由于科学家们在世时为人类做了许许多多的好事，因此，他们死后上帝作为一种奖赏，把他们安置在天堂中享受。
有一天，上帝让他们在天堂里玩捉迷藏游戏，上万个科学家围成一圈，轮到爱因斯坦蒙着眼抓人了，他数了100个数后拉开蒙在眼睛上的布，发现是牛顿，即刻就说：“牛顿，我终于抓住了你。”可牛顿说：“不，你抓到的不是我，请你看看我的脚下！”爱因斯坦低头看到牛顿站在一块边长为1米的正方形木块上。这时的牛顿说：“我站在一平方米木板上就是‘牛顿/米2'，因此，你抓到的不是我，而是帕斯卡！”帕斯卡走到牛顿身边微笑了一下，弯下腰将牛顿脚下的木板抽去说：“现在我是牛顿了。”
上帝说：“不论你是牛顿也好，帕斯卡也罢，还是让活着的人去识别吧！”
墓碑寓意
有一天，帕斯卡的老仆人勒威耶拄着拐杖，领着小孙子步履缓慢地来到帕斯卡墓前，怀着无限留恋的心情凭吊墓中的主人。
小孙子好奇地问：“爷爷，那块石头上刻的是什么？”爷爷告诉他：“这是墓碑，碑上写着‘文学家、数学家、物理学家帕斯卡，1623.6.19—1662.8.19'。”
墓碑上还刻着一张桌子，桌子上刻了一个物体，表示一块面积大约为1平方米的物体，对桌面产生的压力为1牛顿，即“1牛顿/米2”。
这是后人为了纪念他，将压强的单位命名为“帕斯卡”。
2.2/2.3 怎样区分声音
这两节通过“探究影响声音高低的因素”“探究影响弦乐器音调的因素”“探究决定声音响度的因素”和“辨别不同物体的声音”四个活动，引出乐音的三个特性，即音调、响度和音色（音品），进而发现它们跟哪些因素有关。
两节学习要点
● 知道乐音的三个特点或要素以及它们与哪些因素有关。
● 学会用波形图比较音调、响度、音色，进而识别不同物体发出的声音。
两节学习支架
1．怎样认识音色？
图2-2所示的是音叉、单簧管和小提琴，它们分别发出不同的声音波形。其目的就是让同学们通过该波形图来比较它们的音色。
图2-2 几种不同的波形
图2-2所示的三种乐器，不仅组成它们的材料和结构不同，它们的发声方式也不同。
例如，音叉是通过小锤敲击的方式，使音叉振动而发出声音的；单簧管是通过吹气的方式，使管内气流振动而发出声音的；小提琴是通过琴弓与琴弦之间摩擦的方式，使琴弦振动而发出声音的。
可见，音色是由发声体的材料、结构及发声方式等因素决定的。
2．怎样认识并欣赏频率概念中的内含美？
物理学中把“声源（物体）振动次数和振动所用时间的比，叫作频率”。
频率这个概念的定义，似乎有些简单、枯燥，但它的内涵却十分丰富，其中蕴藏着大自然的诸多奇妙和美。
例如：
（1）人类凭听觉器官只能听到一定音调范围内的声音（声音的音调取决于物体的振动频率）。
（2）人类凭视觉器官只能看到色彩艳丽的可见光（光的色彩取决于光波的振动频率）。
（3）人类凭触觉器官只能感受物体在一定范围内的温度（物体的温度取决于物体内部大量分子的振动频率）。
上述事例说明频率跟声音的音调、光的色彩和物体的温度有关，而大自然造化出人类的一些感知器官又能感触到它们，这难道不是人与大自然之间的奇妙和美吗？这难道不是“自然中事物的多样性与统一性”的表现吗？
这个事例，体现了物理学中处处都有美的表现，证明了“变中有不变，不变中有变”的辩证观点，说明了站在辩证唯物思想的制高点上“一览众山小”的学习效果，同时也让同学们真正品尝到了物理学的原汁原味。
3．声波的波形图的用途是什么？
用坐标的纵轴代表振幅，用坐标的横轴代表时间，进而在坐标的平面内呈现出声音在介质中传播的图线，这种图线就是声波的波形图像。声波的波形图像简称声波的波形图，它可用来形象、直观地比较声音振幅的大小和频率的快慢，以及音色的不同。
如图2-3和图2-4所示，就是让我们比较两只不同音叉（声源）振动时，它们在空气中相同时间内传播的波形图像，进而形象、直观地说明它们的音调和响度是不同的。
图2-3 声波的频率
图2-4 声波的振幅
由于音叉发出的是单频率的声音，因此，它可以用来校对音准。
图2-2所示的就是音叉、单簧管和小提琴所发出的声音传播的波形图像，它能形象、直观地说明这些乐器的音色是不同的。
4．何谓共鸣现象？
当两个频率相同的甲、乙音叉靠近，用小锤敲击甲音叉振动发声时，乙音叉也会发出声音，物理学中把这种声学现象叫作共鸣，如图2-5所示。
图2-5 声波传递能量导致同频率音叉发声
共鸣现象产生的实质是共振。所谓共振，指对振动物体施加外力作用的频率与振动物体的频率一致时，振动物体的能量会增强，振幅会增大的现象。
让我们用同学们小时候玩过的秋千为例来说明，当作用在秋千上的推力的频率与秋千自身振动的频率相同时，即每次推力的作用均跟秋千的振动合拍时，秋千就会越荡越高，这就我们所见到的共振效应。
共鸣其实是共振在声学中的一种表现。
自然中的事物总是具有两面性的，共振现象也是如此，它对我们人类既有有利的一面，也有有害的一面。
例如，各种建筑物（包括桥梁），由于它们在结构与材料上的特性，通常都各自有自身的振动频率，物理学中把这个频率叫作固有频率。
如果外力作用的频率与建筑物的固有频率相同时，就会发生共振，若这种共振超过建筑设计的所能承受的振幅极限时，那么，建筑物就会毁坏。
传说希特勒为了显示军威，要求他的部队行军时必须正步走。一次，部队在过一座桥梁时，部队过桥正步走的步频恰恰与这座桥梁的固有频率相同，结果导致桥梁振动幅度过大而断裂，致使部队中不少官兵伤亡。
又例如，音乐与共鸣的关系密切。歌唱家们都善于应用人体内的共鸣器官胸腔、腹腔、口腔和鼻腔。当声带振动引起的气流通过这些腔体，激起共鸣的效果时，那么，这种共鸣就能起到强化和美化声音的作用。
再例如，许多乐器都设置有能产生共振的共鸣箱，如下图（图2-6）所示。
图2-6
5．为什么用“赫兹”做频率的单位？“分贝”这个单位又是从哪里来的？
“赫兹”是频率的单位。它是用科学家赫兹的名字来命名的。声源每秒振动1次，其频率就是1赫兹（1Hz）。
“分贝”是计量声音强弱的单位。1分贝（1dB）大约是机械手表的嘀嗒声响或微风吹拂树叶的沙沙声响。“分贝”是科学家贝尔从在发明电话时所创造的单位“贝尔”那里延伸出来的，1分贝为1贝尔的十分之一。
由于赫兹和贝尔两位科学家在物理学中均做出了突出的贡献，因此，后人为了纪念他们，用他们的名字命名频率（音调）和响度的单位。
6．课外阅读资料。
建议阅读赫兹和贝尔两位科学家的资料。
通过这两个资料的阅读，同学们会了解到赫兹和贝尔两位科学家曾想了些什么，说了些什么，又做了些什么，进而在知道频率（音调）和响度单位由来的同时，还能分别认识到理论与实验的意义和价值。
即理论可以预言未知，而实验则可以用来验证理论中的预言是否正确。
课外阅读资料
可惜，英年早逝的赫兹
赫兹（1857—1894）在少年时就对光学和力学实验十分感兴趣。19岁进入德累斯顿工学院，次年进入德国著名的柏林大学。1885年，28岁的赫兹就被聘为卡尔鲁厄大学教授，1889年又被聘为波恩大学教授。赫兹的老师亥姆霍茨（著名物理学家）非常赏识这位学生，师生之间的关系非常密切，受老师的影响，他开始着重研究麦克斯韦的电磁理论，并对这一理论中预言的电磁波产生浓烈兴趣。因此，他发誓要用实验方法来验证这个“预言”。1887—1888年，他用电磁振荡发生器和接收器进行实验，实验结果不仅证实了电磁波的存在，同时还测出了电磁波的波长为66厘米。这个实验一下子轰动了整个科学界。
赫兹（1857—1894）
在这个实验中，赫兹还发现了我们在高中物理中要学习的“光电效应”，即他在验证电磁波的实验中，观察到了接收器的两个电极，受到发射器产生的火花照射时，接收器上的火花出现加强的现象。后来进一步证明，这是紫外线照射的作用，将电极上带负电的粒子被打出来的结果。
在这里曾发生过轰动整个科学界的实验
这个现象表明，光可以转化成电，同时也说明光不仅具有“波动性”，还具有“粒子性”。可是，他只是写了一篇论文发表，没有来得及继续研究。
追溯电磁波发现这段科学史的进程，我们不难发现科学家们就像接力运动员那样一棒接一棒地在科学探究的轨道上赛跑。
首先，奥斯特和法拉第从“电”与“磁”之间联系的实验探究开始，奥斯特发现“电能生磁”，法拉第发现“磁能生电”，这相当于接力的第一棒和第二棒。
接着，麦克斯韦采用数学的方法总结出“电磁理论”，并预言电磁波的存在，这相当于接力的第三棒。
最后，由赫兹做出决定胜利的实验验证，这相当于接力的最后一棒。
非常可惜，这位年轻科学家的一生却有两大遗憾。
一是赫兹亲自用实验验证了电磁波的存在，但他却又否定电磁波的应用价值，因为按照他的估算，要应用电磁波则需要半个欧洲大的发射天线，因此，他认为电磁波的应用是不可能的。其实，就在赫兹说电磁波应用不可能之后的两年，电磁波的应用便在年轻的科学家马可尼和波波夫手中实现。
二是赫兹英年早逝，正当人们寄希望于这位年轻的科学家有更大的作为时，年仅37岁的赫兹，却因血液中毒于1894年逝世，让世人感到十分震惊，同时都觉得非常惋惜。
人们为了纪念这位英年早逝的科学家曾为人类做出的重大的贡献，于是，将他的名字作为频率的单位。
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发明有线电话的贝尔
贝尔（1847—1922）出生在英国，年轻时跟父亲从事聋哑人教育，曾设想研制能用眼睛看到声音的机器。
1873年被聘为波士顿大学教授，开始研究同一线路能传送许多个电报的多工发报机。
贝尔（1847—1922）
1875年6月2日，贝尔和他的助手华生分别在两个房间试验多工发报机。一个偶然启发了他，即华生房间发报机上的一只弹簧粘上了通电的磁铁，当华生拉开弹簧时，弹簧产生振动并发出声音，与此同时，贝尔惊奇地发现自己房间发报机的弹簧也跟着振动起来，同样也发出了声音。于是，这时的贝尔茅塞顿开，意识到这是两只弹簧共振而出现共鸣的声学现象。由此，他即刻联想到如果一个人对着铁片讲话引起铁片振动，若在铁片后面放一块电磁铁（关于电磁铁知识将在后面学习），那么，电磁铁的线圈中就一定会产生时大时小的感应电流（关于感应电流知识将在后面学习），这个电流的信号和能量传到远处类似的装置上，同样也会产生振动并发出声音。这就是世界上第一台有线电话发明的起因。1876年3月7日，贝尔获得电话发明的专利。1892年，纽约到芝加哥的电话线路开通，贝尔第一个试音，“喂，芝加哥”。
1892年，纽约到芝加哥的电话线路开通，贝尔第一个试音，“喂，芝加哥”
1915年1月25日，贝尔在美国举行跨大陆长途电话开通仪式。贝尔对“发明”的认识曾这样说：“无论你在哪儿找到发明家，无论你给他多少财富或夺走他的一切，他都会发明创造。他无法不去发明创造，就像无法不思考和呼吸一样。”
这段话告诉我们，良好习惯的养成是多么重要。发明创造是人类与生俱来的禀性，但需要从小培养与训练，才能使它成为一种良好的习性。
在这里我们再说说初中物理中关于声音的响度单位“分贝”的由来。
贝尔发明电话之后，为了测量信号的增减量，他采用数学中对数的方法，即当信号通过一个放大器后，把信号前、后功率比的对数用“贝尔”表示。例如，有一个放大器的信号在输入时的功率是1W，输出时的功率为2W，那么，1贝尔就等于log（2W/1W）。1贝尔的十分之一就是1分贝。
因此，我们在初中物理中所学习的声音响度的单位“分贝”，就是从贝尔发明电话所创造的单位“贝尔”那里延伸出来的。
2.4 让声音为人类服务
本节内容主要是介绍声音的一些应用以及控制和减少噪声对环境的污染的一些基本途径。
本节学习要点
● 乐音的应用以及乐音与噪声之间的区别。
● 认识超声和次声，了解超声和次声以及应用。
● 了解控制噪声对环境的污染一些基本途径。
本节学习支架
1．怎样科学区分乐音与噪声？
图2-7所呈现的就是乐音和噪声的波形图。该波形图直观地告诉我们，乐音的波形规则，具有规律性，而噪声的波形杂乱无章，没有规律性。这就是物理学中对乐音和噪声的区分标准。
图2-7
但是，在特定的情况和环境中，乐音与噪声又是由每个人的心理感受来做出区分的。例如，当某个人在极度悲伤的情况下，即使是轻音乐这样动听的乐音，他也会认为是噪声。又例如，在要求十分安静的环境中出现乐音，也被视为噪声。
2．为什么不说“声音的三要素”，而说“乐音的三要素”？
由于声音有乐音和噪声之分，尽管噪声也有响度，但刺耳且毫无规律。因此，在噪声中没有什么音调和音色可言。
故我们不可将音调、响度、音色笼统地说成“声音的三要素”，而把音调、响度、音色归纳在乐音的三个特点之中，即说“乐音的三要素”。
3．什么是回响？它跟回声有区别吗？
声音与建筑之间的关系密切，古人早就在建筑上巧妙地应用了声音的各种特性。我国首都北京天坛的回音壁和三音石，就充分展示了先人在建筑设计上的智慧。现代大剧院和音乐厅的建筑在声音的要求上则更高。
例如，我国首都大剧院的设计，在空座时的交混回响时间为3.3秒，满座时为1.36秒。
又例如，2016年3月21日，中央电视台10频道在“地理中国”栏目中，用视频详细剖析我国山东即墨附近的“鹤山传奇”之谜。鹤山有一座古道观，道观旁的2000多年前古人建造的台阶十分神奇，当人们走到距离台阶前17.4米左右处击掌，从台阶反射回来的声音却不是掌声，而是鹤鸣声。于是，后人将此处命名为“招鹤回鸣”。由于古人称“鹤”为“仙”，由此传出许多具有神奇色彩的故事，“鹤山道观”也因此引来了众多香客。这种现象的奥秘在哪里呢？
据科学家反复考察探究，原来道观旁的台阶恰好处在一个周边特殊的环境之中，进而形成了独特的回声通道，而掌声是一种多频率混合的声音，用来建造台阶的石材，包括特殊的回声通道，均具有吸收某些频率而只反射类似“鹤鸣频率”声音的特性，于是，我们听到的回声便是鹤鸣声。
至今，人们还不知道此现象是古人刻意所为，还是大自然的妙手神功。
物理学中，把声源振动停止后，声音延续的现象叫作回响，而把回响最佳的时间叫作交混回响时间。这个时间大约在1～2秒之间。
回声描述的是声音遇到障碍物后，反射回来而被我们听到声音的现象。
回响描述的是声源停止振动后，声音延续的现象。
可见，回声和回响描述的是声音的两个现象。
4．何谓超声与次声？
人们把人类听不到的频率在20赫兹以下的声音称作次声，而把人类听不到的频率在20000赫兹以上的声音称作超声。
但是，大自然非常奇妙，它造化的某些物种却能听到人类听不到的声音。
例如，大象就能听到频率在20赫兹以下的次声，2004年东南亚地区发生特大海啸，导致数以万计的人葬身大海。但大象在此时听到海啸这种次声，于是，便惊恐地驱赶一些游人向高处奔跑，进而使这些游人免遭这次特大海啸的劫难。
又例如，蝙蝠没有视觉，但大自然却为它造化了一种既能发射，又能接收频率20000赫兹以上声音的超声器官。因此，即使在漆黑的夜间，甚至是复杂的环境中，也能凭借大自然为它造化的器官，扫除前进中的各种障碍翩翩起舞，自由飞翔。
5．怎样从控制和减小噪声的三条途径上，认识科学、技术与社会之间的互动关系？
控制和减小噪声有三条途径：① 消音；② 吸音；③ 隔音。
这三条途径，又促使人们探究并研制各种消音器材、吸音材料和隔音材料。
这一简单的事例便可说明，“社会进步的需要促进了科学技术的发展，反过来，科学技术的进步也会促进社会的前进和发展”这一互动的关系。
本章值得思考与探究的问题
1．在帕斯卡的资料中有一段小故事如下：
有一次，他在厨房里玩，听到厨师把盘子弄得叮叮咚咚地响，这引起了他的思考：为什么物体被撞击会发出声音呢？即使撞击物体离开了被撞击的物体，物体发出的声音也不会立即消失。于是，他开始动手进行试验，发现被敲击盘子的声音连绵不断，但用手按住盘子时，声音即刻停止，且手指碰到盘子时还有点发麻。于是，11岁的帕斯卡通过实验终于明白了声音是由振动而产生的道理。
请你用科学探究中的一些基本要素，来表述11岁的帕斯卡实验探究的过程，同时说说你的读后感。
2．在贝尔的资料中有下面一段描述：
1875年6月2日，贝尔和他的助手华生分别在两个房间试验多工发报机。一个偶然启发了他，即华生房间发报机上的一只弹簧粘上了通电的磁铁，当华生拉开弹簧时，弹簧产生振动并发出声音，与此同时，贝尔惊奇地发现自己房间发报机的弹簧也跟着振动起来，同样也发出了声音。
通过这段文字，你认为声音是通过什么方式传递的？这段文字中说“一个偶然启发了他”，请说说这个“偶然”与“必然”之间有什么关系？
3．本章第一节中提出“声音在固体、液体、气体中传播时，哪种传声效果最好”这个问题，同学们心中都有了答案。那么，请大胆猜想一下，声音在固体、液体、气体中传播效果不同的原因是什么？同时说明你猜想的依据。
4．从二胡和小提琴两种乐器的结构和演奏中，你能获得关于声音的哪些知识？
5．请设计一个测量声音传播速度的实验方案。
6．请上网调查一下超声和次声的应用，并在小组中进行交流。
7．物理学中常常用波形图来描述和比较各种声音。从声音的波形图中能获得声音方面的哪些信息？
8．你能否利用日常生活用品组合，让它们分别发出Do, Re, Mi, Fa, So, La, Si七个音符的声音？试试看！即使尝试出部分音符也是一种快乐。