书城教材教辅课本上读不到的物理故事
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第12章 有趣的声学(3)

在一般房间内谈话时,人们的声波会反弹到墙壁上200次到300次,反射到墙壁上的声波会促使墙壁发生肉眼感触不到的振动。在这个过程中,声波会损失一部分能量。这部分能量被墙壁吸收后,使墙壁的温度逐渐提升,当然,升高的温度很不明显,否则,如果我们说了很多的话,房间恐怕会成为大蒸笼的。

诺尔顿教授在他的著作《物理学》中写道:“上万个人竭尽全力地拼命大喊,所得到的能量才可能微微地点亮一盏灯。这么多人的声音能够持续多长时间,这点光亮也才能维持多久。”如果想用制造声音的方法来传递1焦耳的热量,就需要歌唱家昼夜不停地唱一整天。可见这点热量有多么微乎其微。

因此,在这个世界上,只要有任何事物发出声波,声波都不会消失,例如在室内说话,说话的声音转化为空气分子的热运动和墙壁的振动。其实,所有的音符都是永恒的,如果房间内的空气分子没有内部摩擦,墙壁也有足够的弹性的话,那么,房间内的声音会永不停歇。

【物理碰碰车】 慈禧的戏台声音为什么特别大

慈禧太后看戏的时候,戏台是个半圆的阶梯型看台,观众高高地凌驾于场地中心舞台之上。在观众席上,连几十米远的舞台上撕纸片这种轻微的声音都可以清晰地听到。这是因为建筑师正确地利用了声学的反射与折射及声波聚焦,他们创造了真正的声学奇迹,令后人感到敬佩。

厨房能开音乐会

去音乐厅听音乐总是给人一种美的享受,其实自己动手演奏也别用一番风味哦!什么?没有乐器,去厨房找找,那里的乐器数都数不过来。

小英是个勤劳的孩子,打水、洗碗等家务活全会干。一天,她打水时,无意中用耳朵听了

听暖瓶的声音,发现暖水瓶里有声音,她非常疑惑。她打了很长一段时间的水,灌暖水瓶的时候,热气腾腾,很难看清水是否灌满,但是几乎都听得出来,水是不是灌满了。

刚一开始水瓶是空的,水撞击瓶底发出低沉的咚咚声,随着水位的升高,声音变得尖细起来。因此,小英通过听声音的变化,就可以准确地知道暖水瓶是不是灌满了。

但这是为什么呢?为了寻求本源,小英找到了自己的物理老师,恰巧他们下周就要上声学课

了,老师说:“下周做实验课,我给你解谜吧!”时间很快就到了做实验课了,老师开课前就和同学们说:“让我们先寻找一下这个声音是怎么发出来的。用一支铅笔轻轻地敲一下玻璃瓶胆,瓶胆发出的声音和灌水时听到的完全不一样。看来,那声音不是玻璃瓶胆发出来的。”

同学们都议论纷纷,小英体会最为深刻,她可想得知这瓶胆里还有什么?空气和水?似乎也不像流水发出的哗啦哗啦的声音,“嫌疑犯”就是瓶子里的空气吗?老师说:“别看空气看不见摸不着,但空气是我们这世界中声音的主要发生和传播者。”

老师接着又说:“小英,你现在可以利用这个知识解释灌暖水瓶时听到的声音了。”小英说:“水灌进暖瓶里,扰动了空气,使空气振动,随着水位的增加,上方的空气柱变短,所以音调变高。”

老师说:“现在,我们进一步把这个道理推广开来,便可知道,这也是许多管乐器发声的原理。“其实,笛子是用一根竹管做成的,在侧面开了许多孔。吹笛子的时候,用手指堵住不同的侧孔,就能改变音调。堵住侧孔的作用,就是在控制笛子内空气柱的长度。笛子管内空气柱的长度是从吹口处到第一个被打开的侧孔计算的。如果用手指把侧孔全部堵上,空气柱最长,音调最低,把最靠吹口的一个侧孔打开,空气柱最短,这时候音调最高。你再想想,单簧管、双簧管等管乐器,不也是用这个道理吗!原始的号也是一样,这种乐器很长,西藏喇嘛寺举行庆典的时候,吹的法号有十几米长,发出的声音很低沉。如今把号管卷起来,这也是一个聪明的发明。”一节课之后,小英和她的同学都增长了不少知识。

其实,厨房里的锅碗瓢盆放入不同高度的水,完全可以演奏非常美妙的乐曲,你可以自己尝试一下。

【物理碰碰车】空气柱统一度量衡

空气柱不仅能够演奏乐曲,还能作为标准统一度量衡呢!这事发生在古代的中国。那些学者曾经利用空气柱的长度和体积来统一全国的度量衡。他们选择十二个音律管中的第一根,即黄钟律管,作为度量衡的标准。把它的长度定为九寸,用它作为全国度量衡的基准。各地方都保存着由中央统一翻造的黄钟律管,好随时对照。

寻找最响的声音

世界历史之最,也许你知道很多,比如世界最高的山峰是珠穆朗玛峰,世界国土面积最大的国家是俄罗斯等。但你知道世界有史以来的最大声响是发生在哪里吗?

如果要得到答案,那可就要追溯到1883年的印度尼西亚的一次火山爆发了。在苏门答腊岛和爪哇岛之间的巽他海峡上,有一座叫喀拉喀托的小火山岛。这座小岛的大火山在此前也大规模爆发过,这一次在沉寂了200多年之后再度爆发,它的这次爆发异常猛烈。大约有200亿立方米的岩石被炸成碎片抛洒到空中,火山灰覆盖了印度尼西亚一半的国土面积,弥漫到了相距160千米的雅加达,造成印度尼西亚及邻近国家连续几个月处在浓雾当中。

火山爆发同时引发了巨大的海啸,海浪高达35米,造成苏门答腊岛和爪哇岛两岸5万多居民死亡,财产损失之大难以统计,海啸的余威波及印度洋乃至西欧,改变了海底地形,水深变浅,海底崎岖不平,使得20万吨以上巨型轮船难以顺利通过。

这次火山爆发不仅释放出的前所未有的巨大能量,也产生了世界历史以来的最大声响。它产生的声响令居住在5000千米以外的居民都能耳闻。不仅如此,全世界的地震仪都测量到了这次爆炸,可见它的范围波及之广。经过测试,这次火山爆发产生的声波绕地球转了好几圈,历时108小时之后才逐渐消失,足见这次声响有多么巨大。

【物理碰碰车】蝙蝠、海豚的发声频率

蝙蝠能够发出超声波,频率范围在10000~120000赫兹,雷达的发明就是蝙蝠给人类带来的启发;海豚也能发出超声波,范围在7000~120000赫兹,海底的声纳就是仿照海豚的发生结构制造的。

被风摧毁的大桥

你能相信,一座长1500多米的大桥被风摧毁了吗?这听起来是绝对不可能的,但它确实发生了!

1940年11月的一天,俄罗斯人科茨沃斯正准备驾车通过塔科马海峡大桥。忽然,大桥剧烈晃动起来,并开始倾斜。很快,他就听到混凝土撕裂的声音,大桥要塌了!他飞快从车里爬出来,拼命向安全地带爬去……

后来,当劫后余生的科茨沃斯得知大桥坍塌的原因时,不禁哑然失笑。原来,大桥竟是被风吹倒的。由于桥的特殊设计,风可以从桥面上下两端穿过,当风的振动频率和大桥的振动频率一致时,会产生共振,进而就会引起大桥坍塌。

共振是什么,怎么这么厉害?简单讲,共振是两个振动频率相同的物体,当一个发生振动时,引起另一个物体振动的现象。当桥内部的机械频率跟风的频率相同时,就会产生共振。虽然,这种频率相同的概率很小,但后果非常严重。

在爬雪山的时候也不允许大声说话,甚至打喷嚏也是及其危险的,这也与共振有关。因为大声说话或打喷嚏可能会引起雪层共振,进而出现大雪崩。所以,不要以为不可能发生的事就不会发生,在物理世界中,疯狂的事情随时都可能出现!

【物理碰碰车】部队过桥为什么便步走

解放军列队过桥的时候,即使之前是正步走或者齐步走,在上桥之后也会变成便步走。这也是因为共振。如果队伍走路的步伐一致的话,也会产生一定的频率,很可能和大桥产生共振,引起坍塌。当然,部队去地震的灾区抢险救灾的时候也要避免齐步走,虽然齐步走看起来很有气势,但是如果频率刚好与当地的土地产生共振,就可能会引起余震。

共振让和尚生了病

共振真是个奇怪的东西,不仅能够毁灭一座大桥,人竟然也会被共振吓病,这是怎么回事呢?

在古代,洛阳有个和尚买了一个磬,形状类似于钟,是一种能发出声音的乐器。这磬造型精美,和尚很是喜欢,于是把它摆在放在房间里。

可是很快就出现了奇怪的事情。这个磬放在房间以后,总是无缘无故地发出“嗡嗡”声。和尚以为是老鼠碰到了磬,就没在意。但是一连好多天这声音都没有消散,这“老鼠”赶也赶不走,找也找不到。这件怪事在庙里渐渐传开,寺里的和尚都认为这是鬼在作怪。于是他们又想了很多办法想要把这“鬼”驱走,但也都没有成功。

最终,买磬的和尚被吓出了病。有一天,他的一位乐师朋友来探望他。乐师听说了这件怪事,就拿起磬来敲了敲,左看看,右看看,折腾了好长时间也没搞清楚是什么原因,他也准备无奈地起身告辞了。恰在此时,寺里的大钟响了,那个磬也跟着“嗡嗡”地响起来,和尚听到这个声音,求救般地看了乐师一眼。

乐师看了一眼和尚,又看了看磬,紧皱的眉头舒展开了。他笑着说:“你不用担心,明天我来把‘鬼’赶走。”

第二天,乐师果真来了,他从怀中拿出一把锉刀,在磬的不同地方狠狠锉了几下。这乐师还真神,自从锉过以后,那个磬再也没有发出“嗡嗡”的声音。

寺里的和尚都来向乐师询问缘由,乐师告诉他们说,謦总是自己发出声音的原因是寺里大钟的频率与磬的频率一样,产生了共振。把磬锉了以后,它与大钟的振动频率就不同了,所以也就不会随便地响了。

【物理碰碰车】

让桌子唱歌的共振音响

我们经常见到的音响都是带喇叭的,它是通过喇叭水平震荡空气达到传递音效的效果,只能向着一个方向传递,但是共振音响可以360°传播音乐,因为共振音响可以将音乐转化为介质的振动,使介质产生共振,从而让物体播放出悠扬的音乐。

如果把共振音响放在桌子上,桌子就会通过共振放送悦耳的音乐,在桌子四周的人都可以清楚地欣赏到音乐;如果把共振音响放在门上,那么门两边的人都可以获得相同的音乐效果。

看不见的凶手

有这样一个杀手,人们看不到摸不着,甚至连它的声音都听不到,但是它却能在一瞬间置人于死地。千万不要以为它是什

么阴险毒辣的武林高手,其实它只是物理学中非常常见的一种现象——次声波。

20世纪50年代,曾经在马来半岛的马六甲海峡上发生了一件举世震惊的奇案。一艘名叫“乌兰·米达号”的荷兰货船经过这里的时候,船上的全体船员以及携带的一条狗全部死亡。调查发现,他们没有外伤,也没中毒的现象,倒像是心脏病突然发作而死亡的。

几十年都过去了,这件案子的侦破工作仍然没有丝毫的进展。直到最近,这个案子才被物理学家侦破。

这个杀手到底是谁呢?

它就是看不见、听不着的“次声波”。次声波也属于一种声波,它比我们能够听到的声音振动得慢一些,每秒钟仅仅振动不到20次。它振动得太慢,所以人的耳朵就听不到它了。虽然我们的耳朵听不到,但是它的振动所产生的能量对人体的危害却非常大。

科学家曾经做过专门的实验来研究次声波,结果告诉人们,用强烈的次声波照射人体可能会引起感觉失常,人会感到举步维艰,似乎有一个强大的力量在强迫人体旋转,这时候眼球也会不由自主地转动。在次声波强度很高时——超过100分贝的“响度”,所有这些现象都被观察到了。

“乌兰·米达”号驶过马六甲海峡时,海面发生了强大的风暴,风暴带动空气的振动产生了次声波。外界不断产生次声波,心脏因此吸收了大量次声波的能量并强烈地颤动起来,此时心脏狂跳、血管破裂,最后船员因心脏麻痹、血液停止流动而死亡。

【物理碰碰车】

千里寻呼机——次声波

次声波会产生危害,但是也可以被我们利用。因为次声波波长很长,容易绕过障碍物而继续传播,所以它能传播得很远。即使“旅行”千里,它的强度也不会减弱很多。人们可以利用这一特点来利用次声波传递信息。

以台风信息的传递为例,台风中心的巨大海浪可以产生8~13赫兹的次声波。它以比台风快得多的速度向海岸传来。这样,接收次声波的仪器就可以指出台风的袭击方向和强度,让台风可能经过的地方早作准备。

听到路障的“蝙蝠侠”

夜深人静,林子里忽然发出一阵怪叫,一群吸血蝙蝠像恶魔般冲进了人类的村庄,随后,惨叫声不绝于耳……

吸血蝙蝠!它可是恐怖故事常见的主角。可你知道吗,蝙蝠其实是个“睁眼瞎”,基本看不到东西。那它是怎样看路并抓捕猎物的呢?答案就是——超声波。

跟次声波相反,超声波是频率高于20000赫兹的声波。由于频率很高,超声波的声强比一般声波大很多,带有很大的振动性。知道眼镜店怎样洗眼镜吗?把超声波摄入载满水的容器中,再把眼镜放入水中,超声波带动的水的振动就可以洗掉眼镜上的尘垢。很厉害是不是?这还是小菜一碟呢!如果将高能的超声波聚焦起来,它甚至可以震碎石块,医院就常用超声波来击碎人体内的结石。

当然,人耳是听不到超声波的,但很多动物却可以,蝙蝠就是其一。研究发现,飞行中的蝙蝠会不断发出超声波脉冲,然后根据超声波反射回的回声来“认路”。