壹、声音的产生与传播

--------------------------------------------------------------------------------

一. 声音的产生

(一)物体的振动 由于物体的振动，才能产生声音。

我们可以从生活中的体验来感觉声源 的振动情形 。

--------------------------------------------------------------------------------

生活小体验

(1)说话或唱歌时，手轻按喉头周围，感觉声带中振动。

类似的经验如音乐 播放时，手轻摸音箱，感觉振动。

或打响一面鼓，再用手接住鼓面会得 到发麻的感觉。

当感觉消失时，是否还有声响?

(2)翻修马路，气钻机开动时，除了巨大声响外，

四周邻近门窗是否也受震作响。

(3)打开水龙头，水滴入水面时，发出声音，也看见水波。

--------------------------------------------------------------------------------

想想看 为什么

过年放长串鞭炮时，停在附近装有防盗器的汽车，为何警铃声嘎嘎作响?

--------------------------------------------------------------------------------

动动手试试看

(1)将振动中的音叉触及水面，观察有何现象产生?

若将音叉靠近保利龙珠，则保利龙球会如何?

(2)准备一长三十公分的硬纸筒（用完保洁膜所剩中心部分)。

两端用汽球 薄膜紧紧封住。

然后在纸筒的一端悬吊一个回纹针，使其刚刚触及橡皮膜。

固定纸筒，在纸筒的另一端，以指节轻敌橡皮膜。

观察迥纹针的反应。

--------------------------------------------------------------------------------

(二）介质的传递

在十八世纪时，科学家们就已经从实验中，证实了

声波需要空气等介质来传递的观念。

如下图所示 : 装有小铃的容器里当"空气"慢慢被抽掉，则铃声渐弱，

没有了空气，就不会有任何声音传出。

--------------------------------------------------------------------------------

科学小软闻

约一千七百年前，意大利的科学家托里切利就提出了

声音是以空气为介质来传递的观念。

也曾经想过利用铃声无法在真空中传播的实验来证明自己所提出的主张，

但是因为当时制造真空状态的技术不够成熟，所以无法达成他的心愿。

后来英国的物理学家 波以耳发明了抽气机，将装有铃铛的容器抽成真空，

重做实验，而证实了托里切 利所提出的观念。

--------------------------------------------------------------------------------

动动手 试试看

利用下列材料 :

单孔橡皮塞一个

圆身铅笔一支 (铅笔囗径必须略大于橡皮塞的洞囗)

圆底烧瓶一个

有底小金属管一个 (可利用装唇膏的金属套管)

小金属螺帽一个

胶带一卷

铁架一个

酒精灯或本生灯一个

--------------------------------------------------------------------------------

如下图所示，将铅笔穿过橡皮塞，再将装有螺帽的金属套管用胶带黏牢在铅笔上。

暂勿将橡皮塞塞入烧瓶口，先在烧瓶内放入少量的水，

置于铁架上用酒精灯或本生灯加热。

等瓶内的水沸腾数分钟后(注意:勿将瓶内的水完全烧光)，将橡皮塞塞紧瓶口。

待烧瓶冷却后，瓶内即形成部分真空。

此时把烧瓶移近耳旁摇晃，几乎听不到声音，

但若将塞子弄松，使空气流入瓶内，

则可清楚地听见螺帽碰击 金属管壁的声音。

--------------------------------------------------------------------------------

由以上总总的体验和实验，我们了解到，

声音是物质振动产生的波动， 需要靠介质传播才能听到。

--------------------------------------------------------------------------------

二、声音的传播

(一）介质种类

1、传播声波的介质，可以是固体、液体或气体。

生活小体验

(1)趴在桌上，让耳朵紧贴于桌面，用笔或尺等硬物轻轻敲打桌面，

可以听到物体撞击桌面的声音。 (图一 )

(2)拿一只金属棒，一端顶住闹钟，另一端则贴于耳边，

可听见"滴答滴答" 的声音。(图二 )

(3)夏天在游泳池游泳，闭气后将头闷入水中，仍可听到

池畔岸上人说话的声音。

(4)若二人同在水中，一人手持二石块互敲，

另一人也会听到击石声。 (图三）

(5)医生为病人看病时，利用听诊器来了解病人心、肺跳动的情形。

(图 四)

--------------------------------------------------------------------------------

动动手 试试看

将大鼓及蜡烛装置如图五，以鼓槌击鼓，看看蜡烛的烛焰会有什么变化?

--------------------------------------------------------------------------------

科学小软闻

1．西元 1827年利用下图的装置，

实验证明 :声音能在水中传递，并同时测出声 音在水中的传播速度。

2．二艘船同浮于水面，但分隔一段距离，当左船水中铁槌撞击钟面同时，

船上灯 光发亮，右船便开始记录时间，

经过一段时间后，右船在水而下的喇叭管中的确收到钟声传来的声波，

证实声音亦能在水中传播，并且也可量出其传声速度。

2．在空气中传播的声波是纵波，如图六。

连续振动的音叉，使周围的空气分子形成疏密相间的连续波形。

在纵波中，介质分子的振动力向和波前进的方向平行。

--------------------------------------------------------------------------------

（二）影响声速的变因

1．声波在介质中传递的速度，称为声速( 或音速)。

声速往往因介质种类、状态等因素而影响其行进的速度。

例如 :在空气中传播的声速，因空气的温度、湿度、密度…等不同而不同。

温度愈高，声速愈快。湿度较大时，声速也较快。

已知在 2O°C，干燥、无风的空气中，声速约为 343公尺/秒，

而在 O°C 时，则为331公尺/秒。

若物体移动的速度，超过当时空气的传声速度时，称为超音速。

表（一）声音在不同介质中的速度

( 除了特别标示的温度外，其馀均在 20°C )

物 质 声速(公尺/秒)

空气 ( 干燥，0°C) 331

空气 ( 干燥，20°C) 343

水蒸气 ( 134°C ) 494

蒸馏水 1486

海水 1519

氢气 1330

铅 1190

铜 3810

铝 5000

钢 5200

--------------------------------------------------------------------------------

科学小软闻

有关声速的测量，早在西元 1636年 港人 梅尔森 便已量出

在空气中的传声速度为 316 公尺/秒，其间虽经各国不断测试，

但正确求出在气体或固体中传声速度的方法，

则是1868年德国人孔特发现设计的，此即为著名的“孔特实验”，

至于现今一般惯用的声速 ( O°C 的空气 ) 331公尺/秒，

则是第一次世界大战期间修订沿用至今的。

--------------------------------------------------------------------------------

生活小体验

你知道声速有多快吗?

--------------------------------------------------------------------------------

想想看 为什么

1. 远处发生爆炸时，为什么先感觉到地面振动，才听到爆炸声?

2. 声速只与介质有关，在同一介质中，声速与声音的频率无关。

--------------------------------------------------------------------------------

动动手 做做看

二人分别站在池塘二侧，同时各自制造频率不同的周期性水波，

测量对力 水波到达所需的时间。

--------------------------------------------------------------------------------

(三）反射与与折射

由于声音在不同介质中，传播的速度不同，因而产生了声音的反射与折射现象。

--------------------------------------------------------------------------------

反射

1．声波在行进中遇到障碍物，无法穿越而返回原介质的现象，

称为反射，这种声波反射现象也称为回音。

2. 有关声波的反射现象，早在1882年即被实验证明(图九)

右边摇铃 (在抛物面的焦点位置）发出的声波，

将会由左边的抛物面反射，清楚听到铃声。

--------------------------------------------------------------------------------

生活小体验

(1)在空屋内说话，会听到嗡嗡的声音，这是人说话产生的声波，

在室内来回反射互相影响造成的。

(2)露天音乐台的设计，便是让演奏产生的声音，

藉由后方墙面（抛物面 )、的反射，集中传往台前观众席。

(3)扩音器的话筒，或利用双手在嘴边围成喇叭状向远处喊话，

也都是利用声音的反射来集中声音向前传播。(图十）

(4)国立台中科学博物馆和许多游乐场也有如图十一的设施 :

甲、乙二人间小声谈话，站在中间的丙却听不到。

下回去参观时不妨亲身试试。

--------------------------------------------------------------------------------

动动手 做做看

(1)拿一截可弯曲的水管 (图十二)，一端置于耳旁，闭上眼睛，

他人在另一端开口附近拍手。 听听看，觉得击掌声来自何方?

(2)用纸餐巾的卷筒，及木板，听听看那一个角度听到的声音最响? (图十三)

3．声音发生反射时，原音与回音间隔相差0．1秒以上时，

人耳方可清楚 分辨出来。

想想看 为什么

在常温 (2O°C )下，障碍物与发声者至少要相距多远，

才能清楚听到回音呢? ( 请参考表一 )

--------------------------------------------------------------------------------

4．如果想要避免回音干扰原音，可利用一些多孔的建材，

例如 : 玻璃纤维，或空心砖等来吸收声波，使之减少反射。

--------------------------------------------------------------------------------

动动手 做做看

那一个听得比较清楚?

想想看 为什么

高架道路两侧架设的"墙面"有何作用呢?

--------------------------------------------------------------------------------

折射

若声音在不同介质中传递，因速度不同而使传播方向发生偏折的现象，称为折射。

例如 : “夜半钟声到客船”。

夜晚时，由于高空附近温度较高，声速较快，

使得声波在行进时，会向下方偏折，

因此位于寒山寺里的钟声，才会传到江面上的客船。 (图十五)

--------------------------------------------------------------------------------

动动手做做看

甲、乙二人分别站立在楼上和楼下，甲 手提收录音机，放出音乐，固定音量，

让乙来听，则那一种情形，乙听得较清楚? 又白天与夜晚的情形会一样吗?

--------------------------------------------------------------------------------

参考答案

二、声音的传播

(二)影响声速的变因

1．[想想看，为什么)声音在固体中的传播速度较空气中为快。

2．[动动手，做做看)二者时间相同。

(三)反射与折射

反射

2．[动动手 做做看) (1)、(2)答案如图中虚线部分者。

3．[想想看 为什么) 2O°C 时，空气中传声速度为343m/s，

因原音与回音相差至少0．1秒方可辨别，

因此二者的路程差至少需34．3公尺，

故障碍物与发声者至少要相距 17．15 公尺。

4．(动动手 做做看) (1) 听得较清楚。

[想想看 为什么)

高架道路两侧"墙面"表面多有小圆洞，内含消音材料，

故可防止汽车高速行驶的声音反射而影响行车安全，

且可避免声音外传干扰二侧住家安宁。

折射

(动动手 做做看)

白天时，声音往上方弯曲，故乙于右图中位置听得较清楚，

夜晚时，恰好相反，左图中位置较清楚。