八年級(jí)物理上冊(cè)21《我們?cè)鯓勇犚娐曇簟吠卣归喿x:北京天壇三大聲學(xué)奇跡素

2023年12月12日發(fā)(作者：大圍山滑雪場(chǎng))

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八年級(jí)物理上冊(cè)21《我們?nèi)绾温犚娐曇簟吠卣归喿x：北京天壇三高聲學(xué)奇觀素材(新版)粵教滬版

聲音的產(chǎn)生與流傳

一、北京天壇三高聲學(xué)奇觀

在國(guó)都北京市里的東南部，坐落著一個(gè)著名中外的天壇公園．那邊本來(lái)是明清

兩代帝王祭天和禱告豐年的祭壇，最先建設(shè)于明朝永樂十八年

(1420 年) ．天壇是我

國(guó)最壯觀、最有特點(diǎn)的古建筑之一．可是，從聲學(xué)上看，我們最感興趣的是回音壁、

三音石和圈丘．

天壇第一聲學(xué)奇觀是回音壁．回音壁是一個(gè)圓環(huán)形的圍墻，高約

3．72 m，直徑

61-5 m ．在

回音壁內(nèi)的圓形場(chǎng)所上，偏北有一座圓形的建筑物口曠皇穹宇”，它與回音壁內(nèi)壁間的最短距離是 2.5 m ；同時(shí)東西對(duì)稱地蓋著兩座房子．人們一進(jìn)回音壁，常常第

一件事即是與伙伴貼著圍墻作遠(yuǎn)距離的私語(yǔ)．人們講靜靜話，一般在

6 m 之外就聽

不見．而在回音壁邊上講，流傳卻要遠(yuǎn)得多．即便你和伙伴分別在直線距離為 45 m 的甲、乙兩處輕聲對(duì)話，相互還聽得清清楚楚，就像伙伴在跟前與你說話一般．

這個(gè)聲學(xué)奇觀是如何形成的呢 ?本來(lái)語(yǔ)音的波長(zhǎng)只有

10～300 cm，比回音壁半徑

要小得

多，所以在這類場(chǎng)合下能夠以為聲波是直線行進(jìn)的．語(yǔ)音在甲、乙兩處之間流傳，

一部分以束狀沿圍墻連續(xù)反射行進(jìn)，全程有

129 m；一部分沿直線直接經(jīng)過空氣傳

播，全程才 45 m．因?yàn)閴γ嫦喈?dāng)堅(jiān)硬光潔，對(duì)聲音的汲取小，是聲音的優(yōu)秀反射體；并且在回音壁的詳細(xì)條件下，聲波沿墻面連續(xù)反射都是全反射，沒有穿人墻體內(nèi)部

發(fā)生折射的部分， 所以聲音在流傳中衰減很小． 兩個(gè)人在甲、 乙兩處發(fā)出輕聲細(xì)語(yǔ)，經(jīng)過墻面流傳的聲波，只管走了 129 m，對(duì)方還可以聽清楚，就像打電話同樣．而直接經(jīng)過空氣流傳的聲波卻衰減很快，只走 6 m就消逝了，根本傳不到 45 m外的對(duì)方耳朵里．這就是神奇的回音壁的聲學(xué)原理．

天壇的第二聲學(xué)奇觀是三音石．它在從皇穹字通往圍墻門口的一條白石鋪成的路上，從皇穹宇臺(tái)階沿這條路數(shù)到第三塊石頭即是．游人們一到這里就鼓掌．鼓掌

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一下，能夠聽到五六次回聲．因?yàn)槿羰姨澔匾舯趦?nèi)圓心上．鼓掌聲沿著四周八方的直徑在墻間往返反射．因?yàn)閲鷫閳A形，每次聲波從圍墻反射回來(lái)在圓心匯聚，即是一次回聲．不過因?yàn)槁暡ㄔ谕捣瓷涞倪^程中漸漸衰減，所以回聲一次比一次輕微．五、六次后，回聲就輕微到聽不出來(lái)．

天壇的第三聲學(xué)奇觀是圜丘． 圜字是圓字的古體， 丘字原意是小山、 土堆子．可是，圜丘不是圓形土堆子，而是青石砌成的高臺(tái)，這里是真實(shí)的祭天的祭壇．因?yàn)?

先人流行著“天圓地方”的不正確說法，所以圈丘砌成圓的，它外面的圍墻筑成方

的．圜丘是三層的石臺(tái)， 每層都有臺(tái)階能夠拾級(jí)而登． 每層臺(tái)的四周都有石欄桿． 最高層離地 5 m 多，半徑 15 m．

人們登登臺(tái)頂，站在圜丘的圓心石上，常常又是喊話，又是拍手，這時(shí)聽到的

聲音特別宏亮． 這又是什么緣由呢 ?本來(lái)臺(tái)頂不是真實(shí)水平的， 而是從中央往四周坡下去．人們站在臺(tái)中央喊話，聲波從欄桿上反射到臺(tái)面，再?gòu)呐_(tái)面反射回耳邊來(lái)；

或許反過來(lái)，聲波從臺(tái)面反射到欄桿上，再?gòu)臋跅U反射回耳邊來(lái)．又因?yàn)猷髑鸬陌霃捷^短，所以回聲比原聲延緩時(shí)間短，致使相混．據(jù)測(cè)試，從發(fā)音到聲波再回到圓心的時(shí)間，只有零點(diǎn)零七秒．說話者沒法分辨它的原音與回音，所以站在圓心石上聽起來(lái)，聲音分外響亮．可是站在圓心之外說話，或許站在圓心之外聽起來(lái)，就沒有這類感覺了．

天壇的聲學(xué)奇觀是我國(guó)古代建筑匠師的優(yōu)秀創(chuàng)建．

二、不一樣物質(zhì)中的聲速

一個(gè)同學(xué)在自來(lái)水質(zhì)中的聲速管上敲一下， 另一個(gè)同學(xué)靠在遠(yuǎn)處的自來(lái)水管上昕，假如兩個(gè)地點(diǎn)相隔足夠遠(yuǎn)，他會(huì)聽到三響。

一敲三響的道理很簡(jiǎn)單：第一個(gè)響聲是自來(lái)水管子傳遞來(lái)的，聲波在金屬里流傳得最快；

第二個(gè)響聲是自來(lái)水管里的水送來(lái)的，聲波在水中流傳得較快；第三個(gè)響聲是空氣送來(lái)的，它流傳得最遠(yuǎn)．

第一次測(cè)定聲波在水中的速度， 是 1827 年在瑞士的日內(nèi)瓦湖進(jìn)行的： 用兩只船，在甲船上，實(shí)驗(yàn)員先向水里放下一口鐘，敲鐘的同時(shí)，點(diǎn)燃船上的火藥．乙船停在

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14 千米遠(yuǎn)處，實(shí)驗(yàn)員向水下放一個(gè)聽音器，而后注意察看甲船，看見閃光后立刻記

時(shí)間，測(cè)出幾秒鐘后才能聽到鐘聲．實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是，聲波在水中的速度大概是空氣中聲速的四倍多 (1450 米/ 秒) ．

聲速也受溫度影響．海水里含有鹽類等多種礦物質(zhì)，含鹽等礦物質(zhì)的多少也對(duì)聲速有影

響．在各樣要素中， 溫度對(duì)聲速影響最大， 溫度每高升 1℃，水中聲速大概增大 4．6米/ 秒．一般以為海水中的聲速是 1 500 米/ 秒，約是大氣中聲速的 4． 5 倍．

科學(xué)家們還測(cè)出了各樣液體里的聲速．在

20℃時(shí)，純水中的聲速是

1 482 ．9

米/ 秒；酒精中的聲速是 1 168 米/ 秒；水銀中的聲速是 l 451 米/ 秒；甘油中的聲速是

1 923 米/ 秒．因而可知，聲音在液體中流傳多數(shù)比在大氣中流傳快很多，這和液體中的分子密切程度相關(guān)．

固體中的聲速也各不同樣，經(jīng)過頻頻測(cè)定發(fā)現(xiàn)，聲波在固體頂用縱波和橫波兩

種形式流傳，這兩種波的波速也不同樣．比如，在不銹鋼中，縱波速度是

5 790 米/

秒，橫波速度是 3 100 米 / 秒．把不銹鋼做成棒狀， 棒內(nèi)的縱波速度是 5 000 米/ 秒．在

金屬中，鈹是傳聲的好手，在用鈹做的棒內(nèi)，聲波的縱波速度達(dá)到

12 890 米/ 秒，

920

是大氣聲速的 38 倍．聚乙烯塑料傳聲本事較差，聚乙烯棒中的縱波速度只有

米/ 秒，不及水中聲速快．軟橡膠富裕彈性，聲波流傳極慢，只有

30～ 50 米/ 秒．

“跳躍”的聲音

聲音不只會(huì)“爬行”，并且還會(huì)“跳

躍 ”

呢！

1921 年 5 月 9 日，蘇聯(lián)的莫斯科近郊

發(fā) 生

了一次大爆炸。據(jù)檢查，在半徑

70 公里范

圍

爆 炸 內(nèi)，人們清清楚楚地聽到了“轟隆轟隆”的

聲；可是從半徑 70 公里到半徑 160 公里的范圍內(nèi)， 人們卻什么也沒有聽到； 奇異的是，從半徑 160 公里之外向來(lái)到半徑 300 公里的遠(yuǎn)方，人們又聽到了爆炸的轟鳴聲。

這真是怪事！聲音怎么會(huì)“跳”過中間這片地域呢？物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，聲音有一

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種“怪癖”，它在空氣中愛揀溫度低、密度大的道路走。當(dāng)碰到溫度高、密度小的空氣，聲音便會(huì)向上拐彎到溫度較低的空氣中去。假如某一個(gè)地域，地面鄰近的氣溫變化比較復(fù)雜，這兒溫度高，那邊溫度低，聲音經(jīng)過的時(shí)候，一會(huì)兒拐到高空，一會(huì)兒又往下拐，這樣上上下下，就形成了上邊所說的那種聲音“跳”動(dòng)的現(xiàn)象。

安徽省合肥市新建的長(zhǎng)途電話大樓，樓頂矗立著一座塔鐘。這塔鐘準(zhǔn)時(shí)打點(diǎn)，鐘聲動(dòng)聽，響遍全市。可是住在郊外的居民聽到的鐘聲，有時(shí)清楚，有時(shí)

模糊，有時(shí)正點(diǎn)，有時(shí)“遲到”。 這是塔鐘的失誤嗎？不是， 這也是聲音的“怪癖”──愛走氣溫低、密度大的道路惹起的。天長(zhǎng)地久，社員們得出一條經(jīng)驗(yàn)：平常聽不見或聽不清鐘聲，一旦忽然聽得很清楚，就先兆著天要下雨了，或正

在下雨呢！這是因?yàn)檫@時(shí)空氣濕度大，濕空氣比干空氣的密度大，簡(jiǎn)單流傳聲音的緣由。

傳說有這樣一個(gè)風(fēng)趣的故事：以前有一位住在古寺鄰近的老人，他固然不識(shí)字，卻有辨別天氣變化的本事。以后老人快要死了，鄉(xiāng)鄰們要求他把“展望風(fēng)雨”的訣要留下，以便此后安排農(nóng)事。老人贊同了，可是他只說了一句話：“遠(yuǎn)寺鐘聲清，不用問天公”。說完便咽氣了。當(dāng)時(shí)人們都不理解這句話的意思。跟著科學(xué)的發(fā)展，人們漸漸懂得了此中的奧密。本來(lái)，這位老人已懂得鐘聲清楚程度跟天氣變化的關(guān)系了。

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