声音传播实验

1  在广口瓶里消失与复现声音

【实验目的】

观察真空阻断声音的传播。

【实验内容】

找一个最大的广口瓶和一个最小的袖珍收音机,把收音机开出最大音量放入瓶内。在广口瓶的橡皮塞上钻孔并插入一截短玻璃管,管的瓶外一端用橡胶管连接一个唧筒式抽气机。在玻璃管与塞及橡皮管的衔接缝处,适当涂一些真空脂。在向外抽出瓶内空气的过程中,注意听声音逐渐变小。在听不见声音后,从抽气机上拨下橡胶管,让空气重新进入瓶内。注意听声音又逐渐由无到有,由小到大。如果在橡胶管上事先夹一个螺旋板夹,参看图24.2.5,在抽气之后将其旋紧;在从抽气机上拔下橡胶管之后用它控制空气进入瓶的速度,那么声音逐渐复原的过程可以得到较明显的演示。如果找不到合适的广口瓶或收音机,可在插进瓶内的玻璃管下端用胶布粘住一根极短的线,线上系一个小铃铛。摇动瓶子,可以听见铃声。抽气之后再摇动瓶子,看见铃晃却听不见声音。注意线的长度最好不要让铃在晃动中碰到瓶壁。

 

.2  声音怎样到达我们的耳朵?

 

【实验内容】

1)让一个学生将漏斗柄的开口端放在他的耳朵里(注意:不要向耳朵眼里插,以免损伤耳膜),听一听教室中的各种声音,这时,他甚至可以听到同学之间的悄悄耳语声。

2)将一根大约50厘米长的聚氯乙烯管子插在一个小漏斗上,就组成了一个简易的听诊器。将管子的一端紧贴在耳朵上,而将漏斗罩在一只机械手表上,这样,就可以清晰地听到手表发出的滴答之声。

3)将实验(2)中的聚氯乙烯管子稍微弯曲一些,再将漏斗放在我们的胸脯上,我们就可以听到自己心脏跳动的声音了。在这个实验中,我们自己制作的设备与医生使用的听诊器的原理是相同的。医生使用听诊器倾听病人的心脏的跳动声、肺的呼吸声以及胸腔发出的各种声音。

 

.3  简单的绳电话

 

【实验制作】

用四个空罐头盒和两种不同颜色的绳,可以做一个土“电”话。罐头盒的盖子要完全去掉,盒口不要有锐利的地方,实在处理不好,可以用23层白胶布把锐利的地方粘上。在每个盒的底部中央穿一个小洞,然后将两根绳的四个头分别穿进四个盒。在穿入的每个绳头上都系一个螺母或铅笔头,使盒不能再从绳头上滑脱。绳子的长度要和不同房间通话的距离合适,使通话时绳子可被拉直。事先和朋友约定好自己用哪个色绳上的盒作送话筒,让对方用这根色绳上的盒作听筒,然后就可以通话了。通话的第一个内容,最好是讨论一下与自己嘴相对的盒内的空气振动是怎样达到对方耳膜的?注意盒底的孔最好能与绳的粗细差不多。

 

.4  声音沿固体传播

 

【实验目的】

比较同一声音沿固体与沿空气的传播。

 

【实验内容】

1)一根约1米长的细绳的中间系紧一个不锈钢勺。把绳的两头用手塞进双耳,然后弯下腰使勺子自由悬垂下来(图26.4.4)。请别人用另一把钢勺敲击系在绳上的勺,或者自己晃动细绳,使勺子前后摆动时撞击到一个金属或瓷制的物体上,注意听绳子传来的声音。把绳的两头拿离双耳,重复敲勺或撞勺,比较从空气传来的声音和从绳上听到的声音有什么不同。

2)将耳朵伏在桌面上,用笔的一端先后敲击耳朵附近的桌面和远端的桌腿,注意用贴在桌上的那只耳朵听从桌子传来的声音。抬起耳朵,再次敲击桌子,从空气中听敲击声。描述一下两者的不同。

3)将自己的声音和别人的声音都录到录音带上,然后再放出来听。会发现录下的自己的声音与平时的声音不同。录音过程中能产生失真,这可以在听别人直接说话和录音说话的对比中发现。但录音中自己的声音与平时自己的声音的不同,显然不是这种失真造成的。试解释这种不同的原因。

4)在夜晚车稀人少之时,到马路上把耳朵贴到地面或水泥电线杆上。当听到远处有车开过的声音时,将耳朵移开,然后再贴下去。反复试几次,会发现当耳贴地面或电线杆时,能听到在空气中听不到的声音。

【现象解释】

同一声波在不同介质中传播,速度与能量都有显著差别。一方面,声速与介质的弹性模量的平方根成正比,由于固体的弹性模量比气体大得多,就使固体中的声速快得多。另一方面,波的能流密度又与介质密度及介质中的波速同时成正比,于是固体中的声强比空气中的声强又大得多。这使从固体中听到的声音比空气中要大。

另外,又由于低频成分的音调随声强增加而降低(参看26.2),而使固体中的声音听起来较脆。因此,同一个声波在固体中传播,比空气中听到得快,声音也大,而且还比空气中听到的声脆。

 

.5  声音沿直线传播

 

【实验内容】

用硬纸卷一个长纸筒,在其一端放一只声音较响的手表或者一只闹钟,另一端对准某一位听众。当纸筒对准谁时,他听到的钟表滴答之声就比别人听到的更清楚。这说明,声音是沿直线传播的。

 

.6  声音的反射

 

【实验原理】

声音在反射时,同样满足反射角等于入射角的反射定律。

【实验方法及步骤】

用硬纸卷两个长纸筒。用支架支撑,使它们等高且保持水平。在一个纸筒的一端放一只声音较响的手表或者一只闹钟,另一端对准墙壁且成一定角度。使另一个纸筒一端对准某一位听众的耳朵,另一端也对准墙壁并成一定角度。在两个纸筒之间(即手表与人之间)竖直放一块足够大的隔音板,板与墙壁垂直,但不与墙壁接触,二者之间留有一定距离,如图26.4.6所示。调整两个纸筒与墙壁之间的夹角,使听众听到的声音达到最响亮为止。测量两个纸筒与隔音板之间的夹角,比较它们的大小。

.7  声音的绕射

【实验内容与现象】

在一位听众与一只手表之间,竖直地放置三块足够大的隔音板,板与板之间保持平行。在每块板的中心钻一个孔,调整三孔的位置,使它们在一条直线上。将手表放在第一块板的孔外,人将耳朵贴在第三块板的孔上,就可以清楚地听到手表的滴答之声。这时,声音通过三个孔直接传到人的耳朵之中。然后,将中间的板移动一下,使三个孔不再对齐。此时,虽然声音不能直接传到人的耳朵之中了,但是人还可以听到手表发出的声音,因为声音在传播的过程中可以绕过障碍物,继续向前传播。

8  音叉声的干涉

【实验原理】

满足相干条件的声波在空间相遇时,可以产生干涉,从而在干涉区域内形成声强有明显差别的位置。

【实验步骤】

1)手持音叉的手柄,用橡皮锤敲击音叉,使其振动而发声。

2)用振动音叉的叉尖触及桌面的边缘。

3)使音叉成竖直状,放在耳朵边。

4)将音叉绕竖直轴慢慢地转动一周(360度),并注意倾听音量的变化。

【现象解释】

音叉以一定的频率振动,由它引发的桌子的振动频率与其相同,二者满足了相干条件,在耳朵附近形成了相干区域。转动音叉,相干区域的声强分布发生变化,从而可以听到4次最大的声音和4次最小的声音(几乎无声)。

.9  水槽“剧场”的回声图

【实验内容与现象】

用硬纸板剪一些长窄条(也可以用木条、塑料条、薄铁皮条代替),弯成如图26.4.9所示的形状。将弯好的纸条放入一个水槽中,固定好。在槽中浅浅地放一些水,水面不要超过纸条的高度。在纸板折线的开口处放置一个脉冲发生器,用它激发水波。水波在纸板的“墙壁”上反射,形成回波。将所看到的回波形状画在纸上。

10  气球像一个声透镜

 

【实验原理】

在气体中传播的声波,其速度与气体的密度有关。气体的密度越大,其内的声速就越慢;反之,气体的密度越小,声速就越快。

【实验内容、现象与解释】

用嘴将一个气球吹鼓,系住口。手指捏着气球的口,将它放在手表与耳朵之间,相互都贴紧,如图26.4.10所示。你会发现,这样可以更清晰地听到手表的滴答声。

与环境中的空气相比较,人呼出的气体中含有更多的二氧化碳气体。而用嘴吹气,就使气球内的气体中二氧化碳的比例较大。因为二氧化碳分子较重,球内气体的二氧化碳比例大,就使其内气体的密度大于球外;从而造成球内、外的气体密度的差异,以及在传播声速上的不同。球内气体密度大,则声速较小,声波在球面处就会发生折射,从而形成汇聚波束,就如同透镜对于光的汇聚作用一样,使更多的声信号到达人的耳朵,使耳朵可以更清晰地听到轻微的声音。

11  辨别声音的方位

【实验内容与现象】

用黑布带蒙住一名学生的眼睛。首先,依次在教室的不同地方发出各种声音。例如,抖动钥匙链,揉搓一张纸(或者铝箔),吹口琴或者长笛,拨动梳子的齿,用脚蹭地板等等。再要求该生,说出每一个声源的方位,并对所用声源做详细描述。在多数情况下,他都能说出正确的答案。然后,重复上面的实验,但是要求几种声源同时发出声音。这次虽然有一些困难,但是该生仍能说出基本正确的答案。

我们可以得出结论:我们的听觉器官不但能够确定声源的方位,而且能够分辨出不同声源发声的特征。几种声音在传播过程中,可以混合在一起,但是仍然保持它们各自的特征不变,使我们的耳朵可以分辨出它们之间的不同。