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第二章 聲音與環(huán)境 一、課標要求 1．通過實驗探究，初步認識聲產生和傳播的條件。 2．了解樂音的特性。 3．了解現(xiàn)代技術中與聲有關的應用。 4．知道防治噪聲的途徑。 解讀： 1．關于“聲產生和傳播的條件”，《標準》既有過程性要求，即要求通過學生自己的“實驗探究”來學習；又有終結性的要求，即“認識聲產生和傳播的條件”。因此要多設計聲音產生和傳播的實驗，讓學生通過實驗觀察探究聲音產生和傳播的條件，在探究過程中領悟其中的科學方法。 2．關于“樂音的特征”，《標準》要求達到“了解”的層次。除了通過聽覺，讓學生建立音調、響度和音色的初步概念，還可以讓學生在示波器上觀察不同聲音的波形，對音調、響度和音色有一個直觀的認識。 3．關于“現(xiàn)代技術中與聲有關的應用”和 “防治噪聲的途徑”，《標準》給出的終結性要求是“了解”和“知道”。這兩部分內容與生產和生活聯(lián)系密切，可讓學生通過收集生產和生活中的實例，了解聲音的應用和噪聲的防治途徑，認識科學及其相關技術對于社會發(fā)展及人類生活的影響。 二、本章教材分析 1． 本章概述 本章主要學習聲的產生和傳播條件，樂音的三個主要特征：音調、響度和音色，探究影響音調、響度的因素，了解聲音在生活和技術中的應用，以及減弱噪聲的方法、途徑。 本章主要介紹聲音的基本知識，這些知識在生活和生產中有著廣泛的應用。盡管本章涉及的現(xiàn)象大多是學生所熟悉的，但是學生又很少深入地思考和探討過。因此，把本章作為初中物理的開端，可以使學生感到身邊處處有物理，物理并不深奧，物理親切、有趣、有理，有利于激發(fā)學生學習物理的強烈欲望；同時在學習本章知識的過程中，要用到研究物理問題的基本方法：觀察實驗、科學探究等，使學生從一開始學習物理，就可以得到良好的學習習慣的訓練和科學素養(yǎng)的培養(yǎng)。 教材是按照認知事物的一般規(guī)律編排的，其編寫順序是：“我們怎樣聽到聲音”－“我們怎樣區(qū)別聲音”－“聲音的應用”。本章第一節(jié)“追根求源”，首先讓學生探究聲音是怎樣產生的，接著探究聲音如何傳播。這些內容既是學習聲學的基礎；同時一些實驗技巧和方法，又對接下來探究“影響音調和響度的因素”有很好的啟發(fā)和鋪墊作用?！拔覀冊鯓訁^(qū)分聲音”兩節(jié)課，從造成聲音千差萬別的原因出發(fā)，讓學生認識樂音的特征，并通過“探究影響音調和響度的因素”的實驗過程，讓學生初步學習控制變量的思想方法。本章最后一節(jié)“讓聲音為人類服務”，則是對前面所學聲音知識的拓展和延伸，一方面，通過介紹聲現(xiàn)象的有關知識在音樂、建筑方面的應用，以及人們利用超聲與次聲的成果，讓學生了解聲音可以為人類服務；另一方面，介紹了噪聲的危害及減弱噪聲的途徑，從而引導學生關注生產和技術中的物理，滲透“事物具有兩面性”的辨證思想。 本章教學重點：聲音的產生、傳播和樂音的特征（音調、響度和音色），是聲學的基礎知識；探究聲音的產生、傳播和影響音調、響度的因素，能夠培養(yǎng)學生科學探究的能力，激發(fā)學生的學習興趣。所以“聲音是怎樣產生的”、“聲音的傳播需要介質”、“聲音的高低”、“聲音的強弱”，及其科學探究的過程，是本章教學的重點。 本章教學難點：探究影響聲音高低的因素、探究響度跟哪些因素有關，涉及到科學探究的方法以及控制變量的思想，對初學物理的學生來說比較困難，是本章教學的難點。 2． 編寫特點 本章教材在編寫上有以下特點： ⑴體現(xiàn)“從生活走向物理，從物理走向社會”的課程理念。全章緊密聯(lián)系生產生活實際，由淺入深，逐步探究，符合學生的認知規(guī)律，有利于培養(yǎng)學生的“問題”意識，激發(fā)探究興趣。如2.1節(jié)，由物理學家帕斯卡在小時候“敲打盤子發(fā)出聲音，用手按住盤子后聲音沒有了”這一事實，提出問題“你知道其中的奧秘嗎？”，引發(fā)探究。又如2.2節(jié)，從“我們周圍的聲音千差萬別”這一事實入手，自然地提出了學生關心的問題“聲音為什么會有這些差別？我們應該怎樣區(qū)分它們呢？”引發(fā)學生進一步探究“影響聲音高低和響度的因素”。2.4節(jié)又從物理走向社會，通過介紹聲音的利用和噪聲的危害，讓學生了解科學技術對社會發(fā)展的正面和負面影響，認識事物的兩面性，培養(yǎng)學生可持續(xù)發(fā)展的意識和將科學知識服務于人類的使命感和責任感。 ⑵突出體現(xiàn)物理的學科特點，注重科學探究，全章以探究活動為主線，讓學生在一個個“活動”中獲得感性體驗，然后再上升到理性認識。使學生在經歷和體驗的過程中，不僅學到知識，還初步學到研究問題的方法。本章4節(jié)課中有實驗探究2個（探究影響聲音高低的因素、探究影響聲音響度的因素），這兩個探究讓學生初步熟悉實驗探究的主要方法以及控制變量的思想。除實驗探究外，本章還安排了課內其他活動4個，課外活動3個，給學生提供了較多的活動機會。 ⑶課文中的插圖形象、直觀，代替了以往冗長的文字敘述，給學生想象的空間，能夠啟迪思維，激發(fā)興趣，突破難點，有利于滲透情感、態(tài)度、價值觀的教育。例如每節(jié)課“活動”中的很多插圖，不但能夠生動地創(chuàng)設探究問題的情境，展示實驗活動的主要裝置，而且蘊含著觀察、實驗、探究問題的方法和關鍵，例如圖2-1、2-2、2-3、2-6、2-7、2-8、2-17、2-20、2-26等。還有些插圖，如圖2-4、2-5、2-18、2-27、2-30等，能夠把抽象、難懂的“波”及有關特征，具體、直觀地描述出來，有利于學生對于“聲波”的認識。另外一些插圖，如圖2-9、2-12、2-16、2-33、2-38、2-42等，能夠激發(fā)、培養(yǎng)學生熱愛大自然的情感，以及崇尚科學、關注現(xiàn)代科技發(fā)展的良好素養(yǎng)，養(yǎng)成關心生產、生活以及自然中的物理現(xiàn)象的習慣。 3． 課時安排 本章共4節(jié)，建議全章教學用5課時，其中新課每節(jié)1課時，復習總結用1課時。 三、各節(jié)教材說明與教學建議 2.1 我們怎樣聽見聲音 1．教學目標： ◆知識與技能 ⑴知道聲音是由物體振動產生的。 ⑵知道聲音是以波的形式向外傳播，知道聲音的傳播需要介質，不同介質傳播聲音的快慢不同。 ⑶了解聲波進入人耳后引起聽覺的過程。 ◆過程與方法 ⑷通過觀察和實驗，探究聲音的產生及傳播的條件，領悟其中的研究方法——轉換法。 5 通過觀察耳的結構圖，并結合生活經驗，了解人耳是如何聽到聲音的。 ◆情感態(tài)度與價值觀 ⑹通過探究聲音的產生及傳播的條件，感受實驗的嚴謹性及合作交流的重要性，養(yǎng)成樂于探索自然和日常生活中的物理道理的習慣。 7 理解保護耳朵的重要性，培養(yǎng)關心幫助聾啞人的愛心。 2．教材說明 本節(jié)主要研究聲音的產生及傳播，探究聲音的傳播需要介質，認識聲音傳播的快慢，了解人耳聽到聲音的全過程。 人們的生活離不開聲音，聲現(xiàn)象在生活中隨處可見，具有重要的實際意義。在生活中，學生對聲音的產生、傳播及人耳聽到聲音的過程，感到比較模糊，通過本節(jié)課的學習，可以把學生的感性經驗上升為理性認識。另外，從本章的知識體系來看，聲音的產生與傳播是本章的基礎，學好本節(jié)內容能夠較好的理解下一節(jié)的內容——“我們怎樣區(qū)分聲音”。 本節(jié)的編寫思路：首先通過小故事引起學生的求知欲，即通過帕斯卡敲盤子的實驗引起學生的興趣，進而通過活動1中的A B兩個實驗，從觸覺和視覺上發(fā)現(xiàn)振動發(fā)聲，并知道什么是聲源。然后通過音叉振動引起聲波的圖示，使學生從理性上對聲波有所認識；同時利用示波器把聲波直觀地顯示出來，加深學生對于波的特征的感性認識。在學習了聲音的產生和聲波之后，又進一步通過活動2中的三個小實驗，使學生知道聲音可以在氣體、液體和固體中傳播，聲音的傳播需要介質，真空不能傳聲。同時，知道聲音在不同介質中、不同溫度時傳播的快慢不同。接著，結合初一生物課中所學的耳朵結構的內容，認識人耳聽到聲音的過程，使物理與生活及其它學科聯(lián)系起來?？傊?，新教材與舊教材相比，有著很大的改進，新教材更加貼近學生，更符合學生的認識規(guī)律。讓學生通過與生活現(xiàn)象密切相關的一系列“探究”活動，一步一步地認知聲音的產生、傳播及人耳聽到聲音的過程，使學生學起來感到更輕松、更有趣、更積極主動。 本節(jié)教學重點：聲音產生的原因及傳播條件是研究聲現(xiàn)象的基礎，所以是本節(jié)的重點。 本節(jié)教學難點：聲音以波的形式傳播，由于難以真實直觀的顯現(xiàn)出來，比較抽象，只能根據一些圖示及類似情況加以分析，學生不易理解，所以是本節(jié)的難點。 3．教學建議 聲音是怎樣產生的 關于聲音的產生，可以用教材上“帕斯卡敲盤子”的故事引入；為了活躍課堂氣氛，也可以讓學生齊唱歌曲《黃河大合唱》，除進行情感教育外，還可以通過其中的歌詞“風在吼，馬在叫，黃河在咆哮”，為理解固體、液體和氣體都可以振動發(fā)聲埋下伏筆。 還可以用一個有趣的演示實驗引入：把一個揚聲器放到紙盒里，紙盒上放兩個糊好的紙人，給揚聲器通電后，兩個紙人就隨著揚聲器發(fā)出的悠揚樂曲翩翩起舞。然后問學生，你知道兩個紙人為什么會跳舞嗎？ 要揭開以上現(xiàn)象的奧秘，必須搞清聲音是怎樣產生的。 “活動1”的目的是：讓學生觀察體會聲音產生的條件，認識聲音是由物體振動產生的。 對于實驗A，為了使活動更加豐富多彩，更具有普遍性，可以盡量讓學生多選擇些器材，如鑼、鼓、音叉、喇叭、鋼鋸條等，通過學生自己動手“制造”各種聲音，并激發(fā)他們的學習興趣。對于B實驗，所選用的收錄機，功率不要過小，實驗時可播放一些節(jié)奏歡快的音樂，讓學生感覺振動更明顯一些。實驗時，要求學生仔細觀察現(xiàn)象，認真思考，并提出問題：發(fā)聲時米粒（或細砂、紙片等）會跳動、手指會感到振動，這種現(xiàn)象說明了什么？ 此外，還可以讓學生自主創(chuàng)新，做一些開放性的發(fā)聲小實驗： 做做: 用多種方法發(fā)出聲音。 看看: 物體發(fā)聲與不發(fā)聲時有何不同。 想想: 發(fā)聲時的共同特點。 由此引發(fā)學生討論和交流。通過活動和討論，使學生認識聲音的產生的原因：聲音是由物體的振動產生的。并引出聲源的概念：正在發(fā)聲的物體叫聲源。同時，分析實驗中米粒、紙片或乒乓球的作用，讓學生認識一個重要的物理方法——“放大法”。 為了更好地顯示發(fā)聲體在振動，可以打開電腦中的程序/娛樂/附件/錄音機/錄音程序，讓同學邊對著麥克風說話，邊觀察電腦屏幕上顯示的圖像，效果很好。 聲音是怎樣傳播的 有關聲音是怎樣在空氣中傳播的這一問題，由于比較抽象，不易理解，可以先通過水滴入平靜的水面時產生的水波，使學生對“波”有一定的感性認識，再利用多媒體播放“敲擊音叉時空氣振動”的動畫課件，引出聲波的概念。然后，再介紹“回聲”。 另外，還可以做如下實驗：把可樂瓶底去掉，用橡皮膜封閉，讓瓶口對著正在燃燒的酒精燈，敲擊橡皮膜使其振動，觀察酒精燈火焰的變化。從而說明，聲音是一種波，不僅能聽到，而且可以“看到”。 把聲音顯示出來 可以用示波器將聲波的波形顯示出來，再通過對比敲擊音叉的聲波和演員唱歌時的波形圖（有何不同），加深對聲波的認識和了解，同時也為下一節(jié)學習“區(qū)分聲音”做鋪墊。 聲音傳播需要介質 “活動2”的目的是探究聲音的傳播需要氣體、液體、固體等作為介質，而真空是不能傳聲的。 關于實驗A，要讓學生經歷觀察、思考、推理的過程，教學建議如下： 1 猜想 針對本實驗提出的問題：把罩內空氣抽掉還能聽到聲音嗎？可以先讓學生猜一猜。 一般對這一問題有兩種猜測，即“聽到”和“聽不到”；此時，學生的猜想并不一定是真明白，只是一種預見，但正確與否都沒關系，有了猜想就可減少活動的盲目性。 2 進行實驗 該過程進行時要充分考慮抽氣機的性能，玻璃罩的密閉性。另外，該過程具有一定的專業(yè)性，所以，可以讓老師操作，將抽氣機抽氣過程多重復幾次。讓學生去感知：隨著罩內空氣的減少，聲音逐漸減小。 3 得出結論 根據實驗現(xiàn)象，通過推理可以得出結論：聲音不能在沒有空氣的空間傳播。 上述實驗做起來較為麻煩，沒有條件的學?？梢杂孟旅娴膶嶒炋娲?。 把手機放到普通口杯里，用另一手機撥打它，使其響鈴，聽其鈴聲大??；把手機放到真空口杯中，響鈴后聽其聲音大小。讓學生通過比較、推理得出結論：空氣能夠傳聲，真空不能傳聲。 關于實驗B，除教材中的實驗方法外，還可以用塑料袋把手機包嚴，放在水中，使手機響鈴，學生聽到手機發(fā)出的鈴聲，說明液體可以傳聲。 關于實驗C，如果不方便在教室里完成，可以讓學生做做下面的實驗： （1）用力叩牙齒，聽到自己的叩牙聲很響，而對面的同學卻聽不到； （2）用棉線架起鐵絲，線頭兩端分別在左右手的食指纏繞兩圈，用食指堵嚴耳朵，鐵絲振動時不僅能聽到聲音，而且聲音比較洪亮。 以上實驗不僅能說明固體可以傳聲，而且傳聲效果很好。 聲音傳播有多快 本環(huán)節(jié)可讓學生閱讀“聲音在一些物質中的傳播速度”，了解其中包含的一些信息：聲音在不同的介質中傳播速度一般不同；聲音在固體中的傳播速度一般比在液體、氣體中的傳播速度大（或固體的傳聲性能比液體、氣體好）；聲音在空氣中的傳播速度為340米/秒；等等。 人耳怎樣聽見聲音 本段教材可以結合學生在生物課中學到的關于人耳結構的知識，讓學生認識聽到聲音的過程。最好讓學生在課前查閱相關資料，并在課上進行交流討論，結合閱讀教科書，了解人耳聽到聲音的過程。然后讓學生閱讀貝多芬的故事，了解耳聾的成因、以及聽聲音的另一種方式——骨傳導，并進行情感態(tài)度價值觀教育。 4．教學評價 ●課堂測評 1．聲音是由物體的＿＿產生的，正在發(fā)聲的物體叫做＿ ＿。 2．＿＿＿＿＿＿ 叫做聲速，聲音在空氣中傳播的速度是 m/s。 3．外界傳來的聲音由＿＿收集，通過＿＿進入人耳，引起＿＿振動，這種振動經＿＿傳給＿＿，它再把信號傳給＿＿，人就聽到聲音了。 4．通常我們聽到對方說話，是由＿＿來傳播聲音。岸上的魚兒會被人們的說話聲、腳步聲嚇跑，是因為＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。把耳朵貼近桌子的一端，讓一個同學敲擊桌子的另一端，會覺得聲音很大，說明＿＿也能傳聲，而且傳聲的性能較好。 5．在動畫片《星球大戰(zhàn)》中有這樣一個場景：神鷹號飛船在太空將來犯的天狼號擊中，神鷹號宇航員聽到“轟”地一聲巨響，見天狼號被炸毀，得意地笑了。 請根據你學過的聲學知識，對這段描寫進行評價。 6．在一次郊游時，同學們發(fā)現(xiàn)了一口枯井。小明向井里大喊一聲，經過1.5s聽到回聲，那么這口枯井的深度大約是多少？（聲速按340m/s） 【參考答案】 1．振動 聲源 2．聲音每秒傳播的距離 340 3．耳廓 外耳道 鼓膜 聽小骨 聽覺神經 大腦 4．空氣 水能夠傳播聲音 固體 5．太空中沒有大氣，真空不能傳聲，所以神鷹號宇航員不可能聽到天狼號的爆炸聲。 6．255m ●“自我評價與作業(yè)”指導 1．空氣柱的振動、弦的振動等。 2．三次 聽到的第一次響聲是水管傳來的，第二次響聲是水傳來的，第三次響聲是空氣傳來的 3．1020m 　　4．170m 5．A 6．敲擊左邊的音叉時，左邊的音叉振動發(fā)聲，壓縮或拉動周圍的空氣，聲音在空氣中便以疏密相間的聲波向外傳播，到達右邊的音叉，帶動右邊的音叉振動發(fā)聲，右邊的音叉就把泡沫塑料球彈起。 2.2我們怎樣區(qū)分聲音 1．教學目標 ◆知識與技能 ⑴知道聲音的高低叫音調；知道決定音調高低的因素。了解不同音調的聲音在波形上的差異。 ⑵了解影響弦樂器音調高低的因素。 ◆過程與方法 ⑶經歷“探究影響聲音高低的因素”的實驗過程，培養(yǎng)學生仔細觀察的習慣。 ⑷通過探究弦樂器的音調與什么有關，讓學生學習控制變量的方法，培養(yǎng)學生設計實驗的能力。 ◆情感態(tài)度與價值觀 ⑸通過參與“探究影響聲音高低的因素”的活動，讓學生體驗成功的喜悅，養(yǎng)成善于觀察、樂于探索的習慣。 2.教材說明 本節(jié)主要研究聲音的高低——音調，并通過探究活動認識音調的高低與什么有關。 本節(jié)知識具有承上啟下的作用：上節(jié)主要讓學生認識聲音的產生、傳播及聽到聲音的過程，本節(jié)則對我們聽到的各種聲音進行“區(qū)分”，首先研究聲音的一個特征：音調。只有學好本節(jié)知識，才能更好地理解下節(jié)的內容：響度和音色。 本節(jié)編寫思路是：首先從圖2-16所示的四幅圖中認識到聲音有差別，引起學生思考：怎樣科學地區(qū)分它們？接著通過活動1，先認識聲音有高有低，然后探究并發(fā)現(xiàn)聲音的高低與什么因素有關。在此基礎上，提出了音調和頻率的概念，并從理論的角度讓學生認識到：音調與聲源振動的頻率有關，然后用波形圖顯示物體振動的頻率，增加學生的感性認識，再聯(lián)系實際讓學生認識到：音樂中所說的C調、D調，就是指音調。接著，通過活動2，探究弦樂器的音調與什么因素有關。 本節(jié)教學重點：“探究影響聲音高低的因素”的實驗，既能加深學生對音調的認識，提高學生的動手能力，又能讓學生體會設計實驗的方法，因而是本節(jié)的重點。 本節(jié)教學難點：單純說“聲音的高低叫音調”，學生并不能真正的理解，且容易和響度混淆，如何讓學生在頭腦中建立音調的初步概念，是本節(jié)教學的難點。 3.教學建議 關于課的引入，可以先讓學生觀察教材圖2-16所示的四幅插圖，學生從四幅圖中認識到：同樣是樂音，也各不相同，引起學生思考：聲音為什么會有差別？怎樣科學地區(qū)分它們？ 也可以通過播放高山流水（古箏）、二泉映月（二胡）和鑼鼓喧天的音頻片斷，讓學生感受我們民族音樂美妙的同時，教師提出問題：你認為應該從哪些方面區(qū)分它們？ 還可以設計如下小活動引入課題： ⑴讓學生利用事先準備的器材（吉他、鼓等等），發(fā)出簡單的聲音； ⑵比較自己的器材發(fā)出的聲音與其他同學發(fā)出的聲音有什么區(qū)別？ 讓學生匯報：你認為聲音有哪些方面的不同？ 聲音的高低——音調 為了分解教學難點，可以把音調的初步概念提到“探究影響聲音高低的因素”之前來。 通過上一個環(huán)節(jié)的活動（即比較聲音的差別），引出“聲音有高低之分”，然后再讓學生嘗試分別發(fā)出高低不同的聲音，或教師用弦樂器發(fā)出音調不同的聲音，讓學生反復聆聽，從而建立“音調”的初步概念。 在這里還可以播放宋祖英的歌曲《好日子》和劉歡的歌曲《彎彎的月亮》，讓學生品味音調的不同。 總之，“音調”的初步概念是學生通過“聽”建立的，而不是單純靠語言描述學生就能理解的。 活動1的目的：探究影響聲音高低的因素，在探究的過程中要讓學生認真觀察，仔細聆聽，感性認識聲音的高低跟聲源振動的頻率有關。 提出問題：既然聲音是物體振動產生的，聲音的差別必然與振動有關，那么聲音的高低與振動的什么因素有關呢？ 設計實驗：一是讓一個物體發(fā)出兩次音調不同的聲音，進行比較，這是分析問題常用的方法——比較法；二是在聽聲音的同時，注意觀察物體的振動情況，這是學習物理的基本方法——觀察法。 進行實驗： 做一做：使物體發(fā)出音調高低不同的聲音。 看一看：音調不同時，物體振動有什么不同？ 活動時，改變尺子（鋼尺）伸出桌面的長度，分別撥動使其振動。通過對比可以聽出：幾次實驗聲音的高低不同；同時觀察發(fā)現(xiàn)：尺子振動的快慢不同。 如果有條件，還可以準備幾把回聲口琴，去掉外殼，會看到一些長短不同的鋼片，吹奏時可以很清楚地聽出聲音高低的變化，也可以判斷出長彈簧片振動發(fā)聲的音調低，短彈簧片振動發(fā)聲的音調高，實驗現(xiàn)象非常明顯。 也可以用文具盒和橡皮筋進行實驗，具體方法見本章“課程資源”之“1.文具盒彈出的樂音”。 活動后，讓學生討論“聲音的高低跟物體振動的快慢存在怎樣的關系？” 在活動1的基礎上，引入“頻率”的概念，完成教材中的填空：快，高；慢，低。 用波形比較頻率 用波形比較頻率有利于學生從感性上認識頻率。有條件的學校可以給學生實際演示一下，加深學生的理解。 器材：示波器、音叉（256Hz、440Hz，頻率越低效果越好）、話筒（卡拉OK用600歐，最后是帶電源的）、導線若干。 操作：如圖2.2-1所示，話筒的插頭用兩根帶夾子的導線跟示波器的“Y輸入”、“地”相連，將交直流轉換開關撥到“AC”檔，接通電源，將同步開關撥在“＋”檔，調節(jié)示波器的輝度，Y軸衰減旋到1，Y軸增益旋到最大，直到屏上出現(xiàn)橫線為止，對著話筒敲擊音叉，調節(jié)Y軸增益就會出現(xiàn)波形。敲擊兩根不同頻率的音叉，比較波形。 琴軸 琴枕 如果沒有示波器，可以打開電腦/程序/附件/娛樂/錄音機/錄音，讓男生和女生分別對麥克風唱歌，觀察波形圖像的變化。 圖2.2-1 圖2.2-2 關于活動2的教學：可以先讓學生用二胡（或其他弦樂）演奏一段樂曲，引出弦樂器。讓學生列舉出見過的弦樂器，然后提出問題：弦樂器的音調與什么有關？ 讓學生根據自己的生活經驗，提出自己的猜想和假設。 學生會提出許多猜想。那么怎樣對這些猜想一一驗證呢？首先讓學生討論，提出實驗的總體設計思路，如要研究音調的高低跟弦的粗細是否有關，可取兩根長度相同、粗細不同的琴弦，讓其張緊程度相同，分別彈拔，比較音調是否相同。如果學生設計的實驗沒有控制變量，教師提出質疑，引起學生思考、補充，然后形成比較合理的實驗方案。 組織學生按教材上的方法進行分組實驗，注意合理地控制變量，對音調的變化要注意分辨。學生分組實驗時教師輔導。 除教材提供的實驗外，還可以用二胡來做實驗：兩根琴弦一粗、一細，弦的松緊可通過旋轉琴軸來控制（如圖2.2-2所示），振動部分的弦長可通過移動琴枕來控制。用二胡進行實驗，操作方便，效果較好。 最后引導學生分析實驗現(xiàn)象，完成教材中的填空：低；高；高。 關于“信息游覽”，可以讓學生看教科書圖2-22、圖2－23的相關內容。為提高學生的興趣和應用物理知識解決實際問題的能力，教師可以設計幾個問題（或讓學生自己發(fā)現(xiàn)所隱含的信息）： ⑴人的發(fā)聲頻率和聽覺頻率范圍是否一樣？ ⑵為什么有時候在人沒有任何感覺時，狗卻能覺察出異常情況？ ⑶蜜蜂飛行時翅膀每分鐘振動三、四百次，而蝴蝶飛行時翅膀每分鐘只振動5、6次，據此說明為什么我們能聽到蜜蜂從我們身邊飛過，而聽不到蝴蝶從身邊飛過？ 最后告訴學生，他們在這個年齡階段正處于聲帶發(fā)育時期，有一段時期稱為‘變音期’，一定要注意自己聲帶的保健，不要模仿奇怪的聲音。 4.教學評價 ●課堂測評 1．什么是音調？音調的高低與什么有關？ 2．物體振動的快慢用什么表示？單位是什么？ 3．在學習吉他演奏的過程中，小雨發(fā)現(xiàn)琴弦發(fā)出聲音的音調高低是受各種因素影響的，他決定對此進行探究。經過與同學們討論，提出了以下猜想： 猜想一：琴弦發(fā)出聲音的音調高低，可能與琴弦的橫截面積有關； 猜想二：琴弦發(fā)出聲音的音調高低，可能與琴弦的長短有關； 猜想三：琴弦發(fā)出聲音的音調高低，可能與琴弦的材料有關。 編號 材料 長度/cm 橫截面積/mm2 A 銅 60 0.76 B 銅 60 0.89 C 銅 60 1.02 D 銅 80 0.76 E 銅 60 1.02 F 銅 100 0.76 G 鋼 80 H 尼龍 80 0.76 I 尼龍 100 1.02 為了驗證這些猜想，他們找來了一些琴弦，其規(guī)格分別如下表所示： ⑴為了驗證猜想一，可選用編號為_____、____、_____的琴弦進行研究。 ⑵為了驗證猜想二，應選用編號為____、____、_____的琴弦進行實驗。 ⑶表中有的材料規(guī)格還沒有填全，為了驗證猜想三，請你填上該琴弦的橫截面積。 ⑷隨著實驗的進行，小雨又覺得琴弦音調的高低，可能還與琴弦的松緊度有關。請你設計實驗，驗證這一猜想。 4．養(yǎng)蜂員為什么能根據蜜蜂的嗡嗡聲判斷它是正飛出去采蜜還是采蜜歸來？ 【參考答案】 1．在物理學中，聲音的高低叫音調。音調的高低與聲源振動的頻率有關。 2．用頻率表示，單位是赫茲。 3．（1）A B C （2）A D F ⑶0.76 ⑷選取兩根材料相同、長短相同、橫截面積一樣的琴弦，如C、E進行對比實驗。使兩根琴弦的一端固定，另一端進行松緊程度調節(jié)，要求一張一弛有所差異。用大小相同的力撥動琴弦，比較發(fā)音情況。如果兩根琴弦發(fā)出聲音的音調不同，表明小雨的猜想是正確的；否則猜想錯誤。 4．蜜蜂去采蜜和采蜜歸來，翅膀振動的頻率不一樣，發(fā)出聲音的頻率就不一樣，音調就不一樣，養(yǎng)蜂員就是根據蜜蜂翅膀發(fā)聲的音調不同來判斷的。 ●“自我評價與作業(yè)”指導 1．音調 頻率 2．粗細 松緊 長短 改變琴弦的長度 3．B 4．B 5．指導：注意要保證杯子的形狀、材料、厚度等相同。 2.3我們怎樣區(qū)分聲音（續(xù)） 1．教學目標 ◆知識與技能 (1)知道什么是響度、音色。 (2)知道響度與振幅、距離的關系，了解響度的單位——分貝。 (3)了解不同響度和不同音色的聲音在波形上的差異。 ◆過程與方法 (4) 經歷用實驗探究響度與振幅關系的過程，培養(yǎng)學生的實驗創(chuàng)新和動手操作能力。 ◆情感，態(tài)度，價值觀 (5)觀察了解身邊的聲現(xiàn)象，感受我國民族樂器優(yōu)美的音色，增強民族自豪感。 ２教材說明 本節(jié)研究聲音的響度，探究影響響度大小的因素，了解聲音的品質——音色，利用波形來比較不同響度的聲音的振幅和不同樂器的音色。 通過上一節(jié)的學習，學生已經認識到聲音是有區(qū)別的，并且學習了音調這個特征，本節(jié)是上一節(jié)的延續(xù)，將繼續(xù)探究聲音在響度、音色上的差異，從而對聲音的三個主要特征有一個完整的認識。 本節(jié)的編寫思路是：教材首先引出響度的概念，讓學生弄清楚什么是響度，然后經過活動1的A、B兩組探究實驗，初步探究響度與振動幅度的關系，接著給出振幅的定義，并通過單擺讓學生對振幅有形象的認識，再通過觀察波形認識振幅。然后結合生活經驗，提出響度與距離聲源的遠近有關。教材給出響度的單位——分貝，讓學生了解生活中不同聲音的響度的大小。聲音的另一種特征是音色，教材先以活動2讓學生通過辨別不同樂器發(fā)出的聲音，弄清音色的概念，然后介紹了決定音色的因素，最后從波形的角度來區(qū)分音色。 本節(jié)教學重點：響度和音色是樂音的基本特征，是本節(jié)教學的重點。 本節(jié)教學難點：響度與上節(jié)學習的音調容易混淆，應注意區(qū)分。另外，用波形來區(qū)分聲音，有一定的難度，也要注意引導學生理解。因此，響度與音調的區(qū)別以及怎樣用波形區(qū)分聲音的特征是本節(jié)的兩個難點。 3教學建議 聲音的強弱——響度 為了讓學生能從感性上認識什么是響度，建議先讓學生聽一段音樂，然后調節(jié)音量旋鈕，讓學生感受聲音強弱的變化。或者輕輕敲擊鋼琴的1鍵，然后再重重的敲擊鋼琴的1鍵；也可以讓一位同學先輕聲說一句話，然后大聲地說同一句話等等。最后提問：這些聲音有沒有區(qū)別？讓學生體會聲音有強有弱，也就是聲音的響度不同。 教師提出問題：發(fā)出響度不同的聲音時，物體振動的情況有什么不同？然后讓學生通過活動1進行探究。 “活動１”的目的是探究響度與聲源振動幅度的關系。 教學時，提高兩個探究實驗的可視性是關鍵，實驗A應選用較大些的鼓，以便學生能看到紙屑的跳動，實驗B可視性不強，應注意提醒學生仔細觀察。 對于實驗A，讓學生觀察后思考：⑴前后兩次敲擊時鼓發(fā)出的聲音在響度上有什么區(qū)別？⑵前后兩次敲擊時鼓面振動的幅度有什么區(qū)別？⑶聲音的響度與聲源振幅有怎樣的關系? 讓學生自己歸納出響度與發(fā)聲體振動幅度的關系。 然后再做活動Ｂ，加強對結論的認識，讓學生認識到發(fā)聲體振動幅度越大，發(fā)出的聲音的響度越大。 也可以用揚聲器進行實驗：把收錄機上的揚聲器拆下來,外接到機身外（便于觀察），揚聲器上放置一個乒乓球，揚聲器通電發(fā)聲后，乒乓球就上下跳動，然后調教音量旋鈕，觀察乒乓球跳動幅度的變化。 如果沒有條件，用文具盒和橡皮筋進行實驗效果也很好，具體方法見本章“課程資源”之“1.文具盒彈出的樂音”。 用波形比較振幅 用示波器將同一音叉發(fā)出的響度不同的聲音顯示出來，加以分析比較。如教材圖2-27所示，用較小的力敲擊甲音叉，其波形振幅較小，用較大的力敲擊乙音叉，其波形振幅較大。讓學生根據波形來理解響度與振幅的關系。 在以上感性認識的基礎上，告訴學生什么是響度。響度又稱音量或聲量，是人耳對聲音感覺的強弱。在聲學上人們通常用分貝作為單位來計算聲音的強弱，其符號是dB，分貝數(shù)越大，表示聲音越強。讓學生閱讀課文，了解常見聲音的分貝。若能用分貝計測量同學們的喊聲，則既能增強學生對“分貝”的感性體驗，又能活躍課堂氣氛。 關于聲音與距離聲源遠近的關系，可以根據學生自身在生活中的經驗，得出結論：聲音與距離聲源的遠近有關，并且距離聲源越遠，聽到聲音的響度越小。讓學生多舉些例子，以加深理解。 聲音的品質——音色 為了讓學生弄清音色的概念，可事先收集幾段不同樂器發(fā)出的聲音（或學生比較熟悉的幾位小品演員的聲音），在課堂上播放，讓學生聽后加以判別。這表明，聲音除了音調和響度這兩個特征外，還有第三個特征，那就是聲音的品質，即音色，又叫音品。 活動2 辨別不同物體的聲音 讓學生欣賞一段器樂合奏，并分辨合奏中有哪些樂器，使學生明白，不同樂器發(fā)出的聲音的音色是不同的，然后讓學生思考：不同的樂器為什么發(fā)出不同音色的聲音呢？引導學生討論或閱讀教材，進而讓學生認識到發(fā)聲體的材料、結構以及發(fā)生的方式決定了聲音的音色。 關于不同樂器的波形，除了用示波器顯示外，還可以打開電腦的音樂播放器Media Player，單擊右鍵，選擇波形/波浪，播放笛子、二胡、鋼琴演奏的音樂，即可清晰地顯示出響度、音調、音色不同時波形的變化情況。 學了音色后，可引導學生對聲音的三個主要特征——音調、響度和音色，進行對比，簡要歸納總結。 ４.教學評價 ●課堂測評 1．人耳感覺到聲音的______叫響度,響度與_____________和_____________都有關系。 2．物理學中用________來描述物體振動的幅度,物體的________越大,響度就越大。 3．“引吭高歌”與“低聲細語”中的“高”與“低”指的是_________,“女高音歌唱家” 和“男低音歌唱家”中的“高”與“低”指的是__________。 4．在敲鼓時，用力敲可以使鼓發(fā)出的聲音 變大。 5．交響樂隊中有各種管弦樂器，當我們聽交響樂時，能夠把這些樂器的聲音分辨出來，主要依據的是聲音的（ ） A.音調 B.音色 C.頻率 D.響度 6．在聲學方面，你想搞哪方面的發(fā)明？ 【參考答案】 1．強弱 振幅 距離聲源的遠近 2．振幅 振幅 3．響度 音調 4．響度 5．B 6．答案是開放的，如利用音樂誘導睡眠等。 ●“自我評價與作業(yè)”指導 1．B 2．B 3．C 4．響度 音調 音色 ●課外活動 提示:例如二胡,它是通過改變弦的長短、粗細、松緊程度來改變弦振動的頻率，從而調節(jié)音調的高低；通過改變彈拉的力度的大小來改變振幅，從而調節(jié)響度的大小。 2.4讓聲音為人類服務 1．教學目標： ◆知識與技能 ⑴了解聲音的研究對音樂及建筑的影響；了解超聲和次聲在生活和現(xiàn)代技術中的應用。 ⑵知道噪聲的來源以及控制、減弱噪聲的方法途徑。 ◆過程與方法 ⑶通過觀察、參觀、調查或觀看錄像等，獲得社會生活中聲的利用方面的知識。 ◆情感態(tài)度與價值觀 ⑷通過了解生產、生活和現(xiàn)代科技中聲音的利用以及噪聲的危害，認識科學及其相關技術對于社會發(fā)展及人類生活的影響，培養(yǎng)可持續(xù)發(fā)展的意識和將科學知識服務于人類的使命感。 2．教材說明 從全章看，本節(jié)內容是前面所學知識的拓展和應用。主要介紹了聲音在音樂、建筑方面的應用；超聲、次聲的特點及其應用；控制減少噪聲的方法和途徑。 本節(jié)的編寫思路是：每一部分內容都聯(lián)系實際，以生產、生活、現(xiàn)代科技背景（大多數(shù)都是以圖片的形式）為載體，激發(fā)學生的探究興趣，介紹聲現(xiàn)象的知識對音樂、建筑和現(xiàn)代生活的影響。目的在于引導學生從“從物理走向社會”，了解科學技術對社會發(fā)展的正面和負面影響，認識事物的兩面性，培養(yǎng)學生正確的價值觀。 本節(jié)教學重點：噪聲污染是當今社會的四大污染之一，引導學生關注身邊的噪聲問題，有利于樹立良好的環(huán)境保護意識。因此“控制和減少惱人的噪聲”是本節(jié)課的重點。 3．教學建議 本節(jié)教材，一方面是豐富學生對聲現(xiàn)象的認識和了解，另一方面意在對學生進行STS教育。因此教學內容不必拘泥于教材，可以鼓勵學生通過多種方式獲取信息，教師應該創(chuàng)造條件，讓學生參與教學活動，在“活動過程”中學生獲得親身體驗，心靈受到震撼，思想受到教育，從而更好地實現(xiàn)“情感態(tài)度價值觀”的教學目標。 聲音與音樂 可以由教科書圖2-32歌詠比賽圖片引入聲音與音樂的話題，然后播放一些不同風格的樂曲片段，如熱烈奔放的《丹鳳朝陽》、纏綿凄涼的《蘇武牧羊》、舒緩柔和的《月光曲》、如泣如訴的《二泉映月》等，讓學生從樂曲的旋律和節(jié)奏中感受到音樂的美，最后讓學生結合課文內容了解聲音與音樂的關系。 聲音與建筑 關于聲音與古代建筑，本部分知識較為簡單，可以讓學生自學教科書的內容，通過討論、交流有關“回音壁”與“三音石”的聲現(xiàn)象，認識聲音的反射，增強學生的民族自豪感。 關于聲音與現(xiàn)代建筑，可利用教科書圖2-36或收集到的其他相關圖片，介紹現(xiàn)代建筑中采用吸聲材料、設置不同方向的反射板等方式，增強音響效果及所涉及到的聲學知識。 聽不見的聲音 建議課前教師和學生共同收集超聲和次聲的有關資料，課上可以在學生自學教科書相關內容的基礎上，老師、學生共同交流討論收集到的資料，以便使學生了解超聲、次聲的特點、應用以及次聲的危害等。 控制和減少惱人的噪聲 課前讓學生收集有關噪聲的知識，教師可收集或錄制一些噪聲，如工廠里機器的轟鳴聲、自由市場里嘈雜的聲音、電鋸聲、鞭炮聲等。課上可以充分利用這些資源，先讓學生認識噪聲的來源及危害。然后再通過實驗或學生的生活經驗引導學生尋找減弱噪聲的途徑和方法。由噪聲產生和傳播的過程，即聲源振動產生聲音→空氣等介質的傳播聲音→鼓膜振動聽到聲音，通過分析可知：可以分別采取消聲、吸聲和隔聲的方法控制和減少噪聲。 4．教學評價 ●課堂測評 1．你對本節(jié)課的哪部分內容感觸最深？為什么？ 2．你在收集與本節(jié)內容相關的資料時有什么收獲和體會？獲得什么啟發(fā)? 3．如右圖所示，你見過這種裝置嗎？你從圖中得到什么信息？請查閱有關資料，判斷是否符合“環(huán)?！币?。 4．下列不屬于噪聲的是（ ） A．音樂廳里演奏的輕音樂 B．在家里，幾位同學旁若無人地引亢高歌 C．在空中低飛的噴氣式飛機發(fā)出的聲音 D．尖釘在鋁板上劃出的聲音 5．小明想比較幾種材料(衣服、錫箔紙、泡沫塑料)的隔音性能，除了待檢測的材料外，可利用的器材還有：音叉、機械鬧鐘、鞋盒。在本實驗中適合作聲源的是 ； 小明將聲源放入鞋盒內，在其四周塞滿待測材料。他設想了兩種實驗方案，你認為最佳的是 。 A．讓人站在距鞋盒一定距離處，比較所聽見聲音的響度。 B．讓人一邊聽聲音，一邊向后退，直至聽不見聲音為止，比較此處距鞋盒的距離L。 通過實驗得到的結果如下表所示，則待測材料隔聲性能由好到差的順序為__________。 材料 衣服 錫箔紙 泡沫 方案A 響度 較響 較響 弱 方案B 距離L 較長 最長 短 6．調查某工廠或某商業(yè)區(qū)噪聲污染情況及控制措施和建議。 【參考答案】 1．略 2．主要從情感態(tài)度價值觀的角度來談，比如在收集資料的過程中遇到了什么困難，如何解決的，自己在哪些方面得到了鍛煉等。 3．噪聲監(jiān)測設備 由圖可知該區(qū)域白天的噪聲為63dB。查閱資料可知：《城市區(qū)域環(huán)境噪聲標準》（詳見“課程資源”之“12.我國噪聲的控制標準”）中規(guī)定，城市中的交通干道兩旁的噪聲白天不超過70 dB，晚上不超過55 dB。所以符合“環(huán)?！币?。 4．A 5．機械鬧鐘 B 泡沫、衣服、錫箔紙 6．略 ●“自我評價與作業(yè)”指導 1. 次 超 聽不見 2. 次 （提示：當?shù)卣?、火山噴發(fā)、臺風時都伴有次聲波產生，由于次聲波振動頻率低，不在人的聽覺頻率范圍內，人聽不到，但動物可以聽到。） 3. 吸收 4. 禁止鳴笛 5. 隔音 6.學生自主回答 四、課程資源 1. 文具盒彈出的樂音 用一根橡皮筋和一個文具盒，就可以做成一個簡單悅耳的音樂盒，讓學生在實驗探究中認識樂音的特征，融知識性、趣味性于一體，有效地調動了學生學習的積極性。 圖2-1 把橡皮筋的一端放進文具盒里，關上盒子并把橡皮筋卡?。ㄈ鐖D2-1所示）。輕輕拉住橡皮筋，用手指彈動后把耳朵貼在文具盒上，將聽到低沉悅耳的聲音，此時可觀察到橡皮筋的振動較慢，并能清楚地看到橡皮筋振動時留下的視覺暫留的效果（用紅色橡皮筋效果最好）。拉緊橡皮筋，使橡皮筋的振動加快，顫影的透明度增強。如果改變手拉橡皮筋的位置（例如抓住橡皮筋的中央并拉緊橡皮筋），將發(fā)現(xiàn)橡皮筋振動得更快，聽到音調更高的聲音。通過上述實驗，學生能深切地體會到音調與振動快慢（頻率）的關系。 如果加大彈撥力度，將聽到更大的聲音，同時看到橡皮筋振動幅度明顯加大，從而驗證響度與振動幅度的關系。如果把耳朵稍微遠離文具盒，將發(fā)現(xiàn)響度明顯減弱。 由于鐵制文具盒的共鳴效果非常理想，所以實驗效果較好。 2．聲音的存儲 存儲聲音的技術，由原來的唱片、鋼絲錄音、碰磁錄音，發(fā)展到現(xiàn)在十分普及的光盤。 光盤由數(shù)字存儲介質CD制成，能記錄文字、音樂和圖像。錄音時聲音通過話筒轉變成電信號，再通過"抽樣"以數(shù)字信號記錄下來，記錄儀每秒鐘測量聲波高低44100次，把測量結果用"0"和"1"組成的16位二進制數(shù)字存儲起來；生產CD時，這些數(shù)字被轉變成一系列刻入光盤的凹痕和平面。 CD機的讀聲器是由一未很細的紅外線激光構成，光線從里往外跟隨凹痕和平面組成多旋軌跡，光線照到無痕處，即被反射到光傳感器，而在凹痕處，光被散射幾乎沒有反光，這樣獲得的光信息是數(shù)字信號，然后轉換為模擬信號，經放大送到揚聲器，就能發(fā)出聲音。 3.純音、復合音與音色 只有一組頻率的聲音叫純音，有兩組以上頻率合成的聲音叫復合音。各種樂器發(fā)出的聲音就是復合音。在復合音中，頻率最低的音叫基音,其他的叫泛音。基音的頻率決定復合音的音調，而泛音的頻率和強度則決定它的音色。純音不存在音色問題，復合音才有音色的不同。因為各種樂器和每個人發(fā)音時的泛音不同, 所以才各有各的音色。 音色對電樂器的研制有非常重要的意義。目前正是根據各種樂器聲音的頻譜、基音和各次泛音的相對強度，用電聲的方法進行模擬來制作電樂器。 4．電子合成器 我們的生活離不開音樂,自從電子合成器問世以來,電子音樂就進入了一個新的天地。 20世紀50年代,出現(xiàn)了第一臺電子合成器。那時它還只是一個龐然大物。利用計算機技術輸入信息,可以改變音調、音量、速度、波形及包絡等。但是需要花費很多時間才能產生幾分鐘的音樂。到了20世紀60年代,合成器裝上了琴鍵,已進入商品化,并且體積也大大縮小了。合成器實際上是一臺聲音的頻率合成儀,可以制作各種聲音,改變種種音色。可以把制作好的音色貯存起來取用,可以貯存在合成器里,也可以把制作好的音色貯存在只讀存貯器中或軟盤里。有一種采樣合成器,還可以采集某種聲音的音色,然后在整個音域里重放,重放時還可以改調、改速度、改音色。合成器可以當作電子音樂的聲源,也可以作鍵盤輸入用,還可以通過MIDI (樂器數(shù)字接口)系統(tǒng)作為計算機音樂系統(tǒng)里的聲音發(fā)生器或控制別的部件的主機等等。 目前,由于電子音樂的普及,電子合成器可以解決相當一部分的歌唱及舞廳的伴奏問題。可以事先由一個人制作伴奏音樂樂曲或背景音樂,而不需要樂隊,或者部分代替樂隊。 5.科學家宣稱發(fā)現(xiàn)"莫扎特效應"原理 新華社北京2004年4月28日電 莫扎特的音樂能提高人的學習和記憶能力,這種現(xiàn)象被稱為“莫扎特效應”。它的科學原理在哪里?發(fā)現(xiàn)這一效應的美國科學家最近宣布,他們發(fā)現(xiàn)了其中的分子基礎。 1993年,美國威斯康辛州奧什科什大學的神經科學家羅謝等人發(fā)現(xiàn),大學生聽10分鐘的莫扎特《D大調雙鋼琴奏鳴曲》后,在空間推理測試中的得分有明顯的提高。這一發(fā)現(xiàn),激起了公眾對莫扎特音樂的熱情，但一些科學家對此表示懷疑。 據英國《新科學家》雜志網站報道,羅謝及其合作者最近在舊金山舉行的認知神經學研討會上說,莫扎特奏鳴曲也能提高大鼠的學習和記憶能力。研究人員希望,這一發(fā)現(xiàn)有助于為阿爾茨海默氏癥和其他神經退化疾病的患者設計音樂療法。 此前一些科學家認為“莫扎特效應”的產生只是因為音樂能讓人的情緒變好, 或者這與莫扎特作品獨特的節(jié)奏有關。有研究發(fā)現(xiàn),這些節(jié)奏與人類大腦的一些節(jié)奏周期相符. 但是,不管"莫扎特效應"的奧秘是什么,莫扎特音樂已在臨床上應用。阿爾茨海默氏癥患者在聽了莫扎特奏鳴曲后,其空間推理和社交能力有明顯的提高。莫扎特音樂還被發(fā)現(xiàn)能緩解嚴重癲痛患者疾病發(fā)作的癥狀,而其他音樂則不能。 6.回聲 回聲是日常生活中常見的一種聲現(xiàn)象。聲音在傳播過程中,碰到大的反射面(如建筑物的墻壁等)，在界面處將發(fā)生反射,人們把聽到的反射聲波叫做回聲。人耳能辨別出回聲的條件是：反射聲具有足夠大的聲強,并且與原聲的時間差須大于0.1 s。當反射面的尺寸遠大于入射聲波長時,聽到的回聲最清楚。 關于回聲的應用,最典型的可謂聲吶裝置。用回聲測海深、測冰山的距離和敵方潛艇的方位,都是由不同功能的聲吶裝置完成的。 1912年,英國大商船“泰坦尼克”號在赴美途中發(fā)生了與冰山相撞沉沒的悲劇。這次大的海難事件引起了全世界的關注,為了尋找沉船,美國科學家最先設計并制造出第一臺測量水下目標的回聲探測儀,用它在船上發(fā)出聲波,然后用儀器接收障礙物反射回來的聲波信號。測量發(fā)出信號和接收信號之間的時間,根據水中的聲速就可以計算出障礙的距離和海的深淺。第一臺回聲探測儀于1914年成功地發(fā)現(xiàn)了3 km 以外的冰山。實際上這就是現(xiàn)在被廣泛應用于國防、海洋開發(fā)事業(yè)的聲吶裝置的雛形。 第一次世界大戰(zhàn)時,德國潛水艇擊沉了協(xié)約國大量戰(zhàn)艦、船只,幾乎中斷了橫渡大西洋的海上運輸線。當時潛水艇潛在水下,看不見,摸不著,一時橫行無敵。于是利用水聲設備搜索潛艇和水雷就成了關鍵的問題。法國著名物理學家郎之萬等人研究并造出了第一部主動式聲吶, 1918年在地中暉蘆次接收過(2～3) km以外的潛艇回波。這種聲吶可以向水中發(fā)射各種形式的聲信號,碰到需要定位的目標時產生反射回波，接收回來后進行信號分析、處理,除掉干擾,從而顯示出目標所在的方位和距離。 第二次世界大戰(zhàn)期間,由于戰(zhàn)爭需要,聲吶裝置更趨完善。戰(zhàn)后,人們開始實驗使用軍艦上的聲吶探測魚群。不但測到了魚群,而且還能分辨出魚的種類和大小。人們在此基礎上研制出各種魚探機，極大地促進了漁業(yè)的發(fā)展。 回聲在地質勘探中也有廣泛的應用。例如在石油勘探時,常采用人工地震的方法,即在地面上埋好炸藥包,放上一列探頭,把炸藥引爆,探頭就可以接收到地下不同層間界面反射回來的聲波,從而探測出地下油礦。 在建筑方面,設計、建造大的廳堂時,必須把回聲現(xiàn)象作為重要因素加以考慮。在封閉的空間里產主聲音后,聲被就在四壁上不斷反射,即使在聲源停止輻射后,聲音還要持續(xù)一段時間,這種現(xiàn)象叫做混響?；祉憰r間太長,會干擾有用的聲音。但是混響太短也不好,給人以單調、不豐滿的感覺。所以設計師們須采取必要的措施,例如,改善廳堂的內部形狀、結構、吸聲、隔聲等,以獲得適量的混響,提高室內的音質。 7. “雙耳效應”的應用之一——火炮無處藏身 要準確地測出敵炮兵陣地的位置,主要用炮位偵察雷達和光測、聲測裝備。炮兵聲測系統(tǒng)一般由一個預報哨、4～6個聲測哨和一個中央所組成。在敵炮發(fā)射時,預報哨配置靠前,最先聽到炮聲, 立即按下開關，啟動中央所的記錄儀。聲測哨的作用是把收到的聲音信號經過電線或無線電發(fā)給中央所。中央所一般安裝在機動能力很強的卡車上,由接收部分和計算部分組成。接收部分把聲測哨收音器收到的聲音記錄下來；計算部分按每對聲測哨收到敵炮聲的時間差,計算出敵炮方向,然后在圖上畫出每對聲測哨測定的方向,幾條方向的交點就是炮位。為什么炮兵聲測系統(tǒng)能準確測出炮位呢?因為火炮發(fā)射時產生的聲音通過空氣向遠處傳播,每秒鐘行程約340m, 3 s后可傳到1 km之外。假如我們把測量聲音的儀器按一定距離或一條弧線排列起來,保證它們能很好地收聽到發(fā)射的聲響。大炮發(fā)射時,由于各聲測哨距火炮遠近不同,它們收到的聲音的時間就存在著差異。這個時間差乘以聲音在空氣中的傳播速度,就可得到這兩個測聲點距離敵炮兵陣地的距離差值。知道了兩個測聲點距炮位的差值,經過計算或圖解,即可測得敵炮位置。 8.超聲波的應用實例之一——不用洗衣粉的洗衣機 新華社2003年5月7日電 普通洗衣機一般是用洗滌劑與衣物上的污垢發(fā)生化學反應,再用清水將污垢排出機外,達到洗凈衣物的目的。但是，這種洗凈作用比較有限，只能清潔衣物表面,而且衣物表面殘留的洗衣粉或洗滌劑還會剌激人體皮膚。 超聲波洗衣機與傳統(tǒng)洗滌方式不同,它主要利用超聲波的“空化”作用,產生巨大能量,將污垢從衣物上“震”落下來溶解到水中,然后再通過內桶的轉動對衣物進行摔打和水流穿透,洗凈衣物。 用超聲波洗衣,最大的優(yōu)點是環(huán)保。普通洗衣粉中,起去污作用的是一種叫磷酸納的助劑,含磷酸鈾的污水排入地下后會造成水質污染；無磷洗衣粉采用的代磷劑4A沸石也會污染水質。超聲波洗衣機不僅無污染,而且比普通就衣機節(jié)水三分之一。 9.超聲醫(yī)學 (1)超聲醫(yī)學的發(fā)展。雖然人類早已觀察到不少動物(如蝙蝠、鯨、海豚等)能發(fā)出及感受超聲,但壓電效應發(fā)現(xiàn)后,人類才可能制造適用于醫(yī)學應用的超聲波,超聲治療機和更為復雜的超聲診斷儀的發(fā)明均基于科學技術的發(fā)展。如“A型”超聲診斷是以曲線的幅度來反映反射回聲的強弱,必須用陰極射線示波器來實現(xiàn),而“B型”超聲診斷則除了掃描技術外,更須灰階調制,實時成像、聚焦、圖像的預處理和后處理等技術。1927年出現(xiàn)關于超聲波生物學效應的文章后,次年就有人將超聲波試用于慢性耳聾的治療。以后超聲波治療不斷發(fā)展, 1950年超聲治療工作已經成熟。但超聲診斷工作對儀器要求更高,故發(fā)展較慢。直至于1950年隨著電子科學技術的發(fā)展,超聲脈沖反射技術和陰極射線示波器的采用,幅度調制型(Amplitude Mode, A型)超聲診斷才得以用于臨床。在輝度調制型(Brightness Mode, B型)超聲診斷中,運動型或時間—運動型(M型或T-M型)出現(xiàn)較早,此即日后稱為超聲心電圖的心臟診斷技術。二維聲像圖則需要更高級、更尖端的技術,故出現(xiàn)更晚。 (2)超聲的生物、生理效應及醫(yī)學實驗研究。超聲波對人體可以產生熱的作用。這種熱作用在很長一段時間內被當作超聲治療的主要機理。此后又發(fā)現(xiàn)過聲振動會引起組織內細微的按摩作用(又稱細胞按摩),雖然人體不能感覺,但它起到治療的作用,其他的理論效應以及熱作用均源于此。 超聲能改變神經系統(tǒng)(中樞和周圍神經系統(tǒng))興奮性、傳導功能和動作電位等, 甚至引起結構、形態(tài)的變化。超聲可引起肌張力變化、肌原纖維凝集,其中出現(xiàn)空泡、變性；可引起消化液增加,胃腸蠕動增強、水腫,滲出、淤血,甚至出血。小劑量 (安全量)超聲波對生殖、泌尿、內分泌、骨骼、心血管等系統(tǒng)有促進功能的作用,但大劑量(損害量)則造成不可逆的損傷。超聲對人體組織有選擇作用,如超聲只去除堅硬的牙垢而不損傷柔軟的牙齦，故超聲潔齒有不出血操作的美稱。體外震波(壓電效應震波)對結石的粉碎作用遠大于對周圍組織的破壞。超聲對某種細胞有特殊的“親和力”, 或某些細胞對超聲特別敏感,在一定條件的超聲作用下，一些細胞破壞、死亡,而夾雜其間的其他細胞卻安然無恙。如腦垂體直射治療能選擇性地破壞腫瘤細胞而不波及其他細胞,是一種治療肢端肥大癥的安全方法。 10.次聲波 次聲波又稱亞聲波,它是一種頻率低于人的可聽聲波頻率范圍的聲波。次聲波的頻率范國大致為10－4Hz～20Hz。 次聲波產生的聲源是相當廣泛的,現(xiàn)在人們已經知道的次聲源有：火山爆發(fā)、墜入大氣層中的流星、極光、地震、海嘯、臺風、雷暴、龍卷風、電離層擾動,等等。利用人工的方法也能產生次聲波,例如核爆炸、火箭發(fā)射