聲學(xué)中的物理研究方法
江蘇沛縣張街中學(xué) 張振樓
風(fēng)聲、雨聲、流水聲傾訴著大自然的千變?nèi)f化,歌聲、笑聲、音樂聲描述著人們的歡樂。人們研究聲的世界時,常采用以下的研究方法。
一、轉(zhuǎn)化法顯示物體的振動
有的物理現(xiàn)象不便于直接觀察,通過轉(zhuǎn)換為容易測量到與之相等或與之關(guān)聯(lián)的物理現(xiàn)象,從而獲得結(jié)論。
例1 如圖1所示,蘭蘭做有關(guān)聲現(xiàn)象的實驗時,將一個正在發(fā)聲的音叉貼近面頰,目的是為了( )

A.感受發(fā)聲音叉的振動
B.體驗發(fā)聲音叉的溫度
C.估算發(fā)聲音叉的質(zhì)量
D.判斷聲音的傳播速度
分析:本題是轉(zhuǎn)化思想的極好體現(xiàn),由于人眼不容易直接觀察到聲源的振動,探究時借助音叉觸及面頰時的感覺顯示音叉發(fā)聲時在振動。
答案:A。
二、比較法
比較物體發(fā)聲時與未發(fā)聲時的區(qū)別,用手按住正在發(fā)聲的鑼面,它立即不發(fā)出聲音。先后對一鼓面輕敲和重?fù)舾饕幌拢容^兩次發(fā)出聲音的響度不同。用硬塑料片在梳子齒上快劃和慢劃,比較音調(diào)的高低。
三、歸納法
例2 如圖2所示的這些現(xiàn)象說明:正在發(fā)聲的物體都在________。

分析:本題重在歸納,“紙屑的跳動”“紙片的跳動”“激起水花”都說明發(fā)聲體在振動,同時也從近幾年閱卷情況來看,此處失分頗為嚴(yán)重,原因就在對關(guān)鍵詞的處理上,此處“振動”非“震動”,諸如“摩擦”非“磨擦”“豎直向下”非“堅直向下”等都是同學(xué)們易出錯的關(guān)鍵字詞,考后不少同學(xué)感覺良好,實際與估計的考分有一定的相差,這里也算得上要考慮的一處。
四、用“實驗+推理”的方法推導(dǎo)
實驗推理法是指在人類現(xiàn)有認(rèn)識水平、實驗儀器等條件的限制下無法直接去認(rèn)知、驗證某些物理特性或物理規(guī)律時,就在已有的相關(guān)的實驗事實的基礎(chǔ)上,進(jìn)行邏輯推理和猜測,從而得出結(jié)論的方法。
例3 請你對下面物理實驗情景進(jìn)行分析并得出結(jié)論。把處于發(fā)聲狀態(tài)的響鈴放在密閉的容器內(nèi)(如圖3所示),逐漸抽出其中的空氣聽到的聲音越來越小,最后幾乎聽不到聲音,這說明_____________。

分析:本實驗如果要放在真空環(huán)境中做實驗是不可能的,隨著容器內(nèi)空氣的不斷抽出,空氣越來越稀薄,聽到聲音越來越弱,可以推理:如果被抽成真空,將聽不到聲音,由此可以推出“真空不能傳聲”或“聲音必須通過介質(zhì)才能傳出去”。
例4 聲音傳播的速度和溫度有關(guān),下表是空氣中聲速隨溫度變化的數(shù)據(jù)。
當(dāng)飛機的飛行速度接近周圍的聲速時會受到相當(dāng)大的阻力。上世紀(jì)中期,人們就嘗試進(jìn)行超音速飛行。在飛機速度有限的情況下,你能指出在什么情況下試驗更容易成功嗎?
分析:從“當(dāng)飛機的飛行速度接近周圍的聲速時會受到相當(dāng)大的阻力”這樣一個結(jié)論出發(fā),我們可以分析到:只有飛機的飛行速度與周圍的聲速相差很大時,它受到的阻力才能減小。分析數(shù)據(jù)可知當(dāng)溫度升高時,聲速增大;溫度降低時,聲速減小,都可符合要求。而當(dāng)時嘗試進(jìn)行的是超音速飛行,所以應(yīng)在溫度較低的地方試驗容易成功,比如兩極、冬天、高空等等。
五、水波類比聲波──類比法
音叉振動時,附近空氣粒子隨音叉振動,形成一系列疏密相間的形狀向四周傳播,這就是聲波,這就像石塊落入水中激起水波一樣。
六、研究隔音材料用控制變量法
噪聲污染與水、空氣、垃圾污染一樣,也是環(huán)境污染的一部分。在1979年聯(lián)合國召開的世界環(huán)境保護(hù)大會上,將噪聲列為當(dāng)代人類最不可容忍的災(zāi)難之一。防止噪聲有各種方法,其中“隔聲”是控制噪聲污染的重要方法之一。
例5 小明想比較幾種材料(衣服、錫箔紙、泡沫塑料)的隔音性能,現(xiàn)有器材:音叉、機械鬧鐘、鞋盒,則在本實驗中適合作聲源的是_______;小明設(shè)計了一種實驗方案:讓人站在距鞋盒一定距離處,比較所聽見聲音的響度.實驗中小明記錄實驗數(shù)據(jù)及現(xiàn)象如下表,則待測材料隔聲性能最好的是 。
分析:適合做聲源的是機械鬧鐘,因為它與音叉相比一直在發(fā)聲。此方案采用了控制變量法,因為聲音的響度與物體離聲源的遠(yuǎn)近有關(guān),離聲源越遠(yuǎn),響度越小。在控制了聽者與聲源距離相同的情況下,研究材料的隔音性能與材料的關(guān)系,可以看到隔音性能最好的是泡沫塑料。
風(fēng)聲、雨聲、流水聲傾訴著大自然的千變?nèi)f化,歌聲、笑聲、音樂聲描述著人們的歡樂。人們研究聲的世界時,常采用以下的研究方法。
一、轉(zhuǎn)化法顯示物體的振動
有的物理現(xiàn)象不便于直接觀察,通過轉(zhuǎn)換為容易測量到與之相等或與之關(guān)聯(lián)的物理現(xiàn)象,從而獲得結(jié)論。
例1 如圖1所示,蘭蘭做有關(guān)聲現(xiàn)象的實驗時,將一個正在發(fā)聲的音叉貼近面頰,目的是為了( )

A.感受發(fā)聲音叉的振動
B.體驗發(fā)聲音叉的溫度
C.估算發(fā)聲音叉的質(zhì)量
D.判斷聲音的傳播速度
分析:本題是轉(zhuǎn)化思想的極好體現(xiàn),由于人眼不容易直接觀察到聲源的振動,探究時借助音叉觸及面頰時的感覺顯示音叉發(fā)聲時在振動。
答案:A。
二、比較法
比較物體發(fā)聲時與未發(fā)聲時的區(qū)別,用手按住正在發(fā)聲的鑼面,它立即不發(fā)出聲音。先后對一鼓面輕敲和重?fù)舾饕幌拢容^兩次發(fā)出聲音的響度不同。用硬塑料片在梳子齒上快劃和慢劃,比較音調(diào)的高低。
三、歸納法
例2 如圖2所示的這些現(xiàn)象說明:正在發(fā)聲的物體都在________。

分析:本題重在歸納,“紙屑的跳動”“紙片的跳動”“激起水花”都說明發(fā)聲體在振動,同時也從近幾年閱卷情況來看,此處失分頗為嚴(yán)重,原因就在對關(guān)鍵詞的處理上,此處“振動”非“震動”,諸如“摩擦”非“磨擦”“豎直向下”非“堅直向下”等都是同學(xué)們易出錯的關(guān)鍵字詞,考后不少同學(xué)感覺良好,實際與估計的考分有一定的相差,這里也算得上要考慮的一處。
四、用“實驗+推理”的方法推導(dǎo)
實驗推理法是指在人類現(xiàn)有認(rèn)識水平、實驗儀器等條件的限制下無法直接去認(rèn)知、驗證某些物理特性或物理規(guī)律時,就在已有的相關(guān)的實驗事實的基礎(chǔ)上,進(jìn)行邏輯推理和猜測,從而得出結(jié)論的方法。
例3 請你對下面物理實驗情景進(jìn)行分析并得出結(jié)論。把處于發(fā)聲狀態(tài)的響鈴放在密閉的容器內(nèi)(如圖3所示),逐漸抽出其中的空氣聽到的聲音越來越小,最后幾乎聽不到聲音,這說明_____________。

分析:本實驗如果要放在真空環(huán)境中做實驗是不可能的,隨著容器內(nèi)空氣的不斷抽出,空氣越來越稀薄,聽到聲音越來越弱,可以推理:如果被抽成真空,將聽不到聲音,由此可以推出“真空不能傳聲”或“聲音必須通過介質(zhì)才能傳出去”。
例4 聲音傳播的速度和溫度有關(guān),下表是空氣中聲速隨溫度變化的數(shù)據(jù)。
空氣溫度/℃ |
-20 |
-10 |
0 |
10 |
20 |
30 |
聲音速度/m·s-1 |
318 |
324 |
330 |
336 |
342 |
348 |
當(dāng)飛機的飛行速度接近周圍的聲速時會受到相當(dāng)大的阻力。上世紀(jì)中期,人們就嘗試進(jìn)行超音速飛行。在飛機速度有限的情況下,你能指出在什么情況下試驗更容易成功嗎?
分析:從“當(dāng)飛機的飛行速度接近周圍的聲速時會受到相當(dāng)大的阻力”這樣一個結(jié)論出發(fā),我們可以分析到:只有飛機的飛行速度與周圍的聲速相差很大時,它受到的阻力才能減小。分析數(shù)據(jù)可知當(dāng)溫度升高時,聲速增大;溫度降低時,聲速減小,都可符合要求。而當(dāng)時嘗試進(jìn)行的是超音速飛行,所以應(yīng)在溫度較低的地方試驗容易成功,比如兩極、冬天、高空等等。
五、水波類比聲波──類比法
音叉振動時,附近空氣粒子隨音叉振動,形成一系列疏密相間的形狀向四周傳播,這就是聲波,這就像石塊落入水中激起水波一樣。
六、研究隔音材料用控制變量法
噪聲污染與水、空氣、垃圾污染一樣,也是環(huán)境污染的一部分。在1979年聯(lián)合國召開的世界環(huán)境保護(hù)大會上,將噪聲列為當(dāng)代人類最不可容忍的災(zāi)難之一。防止噪聲有各種方法,其中“隔聲”是控制噪聲污染的重要方法之一。
例5 小明想比較幾種材料(衣服、錫箔紙、泡沫塑料)的隔音性能,現(xiàn)有器材:音叉、機械鬧鐘、鞋盒,則在本實驗中適合作聲源的是_______;小明設(shè)計了一種實驗方案:讓人站在距鞋盒一定距離處,比較所聽見聲音的響度.實驗中小明記錄實驗數(shù)據(jù)及現(xiàn)象如下表,則待測材料隔聲性能最好的是 。
材料 |
衣服 |
錫箔紙 |
泡沫 |
響度 |
較響 |
較響 |
弱 |
分析:適合做聲源的是機械鬧鐘,因為它與音叉相比一直在發(fā)聲。此方案采用了控制變量法,因為聲音的響度與物體離聲源的遠(yuǎn)近有關(guān),離聲源越遠(yuǎn),響度越小。在控制了聽者與聲源距離相同的情況下,研究材料的隔音性能與材料的關(guān)系,可以看到隔音性能最好的是泡沫塑料。
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