部編2020八年級物理上冊 2.1《我們怎樣聽見聲音》拓展閱讀:北京天壇

2023年12月12日發(作者：瓦力和伊娃)

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聲音的產生與傳播

一、北京天壇三大聲學奇跡

在首都北京市區的東南部，坐落著一個馳名中外的天壇公園．那里本來是明清兩代帝王祭天和祈禱豐年的祭壇，最初建設于明代永樂十八年(1420年)．天壇是我國最壯觀、最有特色的古建筑之一．不過，從聲學上看，我們最感興趣的是回音壁、三音石和圈丘．

天壇第一聲學奇跡是回音壁．回音壁是一個圓環形的圍墻，高約3．72 m，直徑61-5 m．在

回音壁內的圓形場地上，偏北有一座圓形的建筑物口曠皇穹宇”，它與回音壁內壁間的最短距離是2.5 m；同時東西對稱地蓋著兩座房屋．人們一進回音壁，往往第一件事便是與同伴貼著圍墻作遠距離的耳語．人們講悄悄話，一般在6 m以外就聽不見．而在回音壁邊上講，傳播卻要遠得多．即使你和同伴分別在直線距離為45 m的甲、乙兩處輕聲對話，彼此還聽得清清楚楚，就像同伴在跟前與你說話一般．

這個聲學奇跡是怎樣形成的呢?原來語音的波長只有10～300 cm，比回音壁半徑要小得

多，因此在這種場合下可以認為聲波是直線前進的．語音在甲、乙兩處之間傳播，一部分以束狀沿圍墻連續反射前進，全程有129 m；一部分沿直線直接通過空氣傳播，全程才45 m．因為墻面相當堅硬光潔，對聲音的吸收小，是聲音的優良反射體；而且在回音壁的具體條件下，聲波沿墻面連續反射都是全反射，沒有穿人墻體內部發生折射的部分，所以聲音在傳播中衰減很小．兩個人在甲、乙兩處發出輕聲細語，通過墻面傳播的聲波，盡管走了129 m，對方還能聽清楚，就像打電話一樣．而直接經過空氣傳播的聲波卻衰減很快，只走6 m就消失了，根本傳不到45 m外的對方耳朵里．這就是神秘的回音壁的聲學原理．

天壇的第二聲學奇跡是三音石．它在從皇穹字通往圍墻門口的一條白石鋪成的路上，從皇穹宇臺階沿這條路數到第三塊石頭便是．游人們一到這里就鼓掌．鼓掌一下，可以聽到五六次回聲．因為三音石正好在回音壁內圓心上．鼓掌聲沿著四面八方的直徑在墻間來回反射．因為圍墻為圓形，每次聲波從圍墻反射回來在圓心會聚，便是一次回聲．只是由于聲波在來回反射的過程中逐漸衰減，因此回聲一次比一次微弱．五、六次后，回聲就微弱到聽不出來．

天壇的第三聲學奇跡是圜丘．圜字是圓字的古體，丘字原意是小山、土堆子．不過，圜丘不是圓形土堆子，而是青石砌成的高臺，這里是真正的祭天的祭壇．因為古人流行著“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，每層都有臺階可以拾級而登．每層臺的周圍都有石欄桿．最高層離地5 m多，半徑15 m．

人們登上臺頂，站在圜丘的圓心石上，往往又是喊話，又是拍手，這時聽到的聲音特別洪亮．這又是什么緣故呢?原來臺頂不是真正水平的，而是從中央往四周坡下去．人們站在臺中央喊話，聲波從欄桿上反射到臺面，再從臺面反射回耳邊來；或者反過來，聲波從臺面反射到欄桿上，再從欄桿反射回耳邊來．又因為圜丘的半徑較短，所以回聲比原聲延遲時間短，以致相混．據測驗，從發音到聲波再回到圓心的時間，只有零點零七秒．說話者無法分辨它的原音與回音，所以站在圓心石上聽起來，聲音格外響亮．但是站在圓心以外說話，或者站在圓心以外聽起來，就沒有這種感覺了．

天壇的聲學奇跡是我國古代建筑匠師的卓越創造．

二、不同物質中的聲速

一個同學在自來水質中的聲速管上敲一下，另一個同學靠在遠處的自來水管上昕，如果兩個位置相隔足夠遠，他會聽到三響。

一敲三響的道理很簡單：第一個響聲是自來水管子傳送來的，聲波在金屬里傳播得最快；

第二個響聲是自來水管里的水送來的，聲波在水中傳播得較快；第三個響聲是空氣送來的，它傳播得最遠．

第一次測定聲波在水中的速度，是1827年在瑞士的日內瓦湖進行的：用兩只船，在甲船上，實驗員先向水里放下一口鐘，敲鐘的同時，點燃船上的火藥．乙船停在14千米遠處，實驗員向水下放一個聽音器，然后注意觀察甲船，看見閃光后馬上記時間，測出幾秒鐘后才能聽到鐘聲．實驗的結果是，聲波在水中的速度大約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，含鹽等礦物質的多少也對聲速有影

響．在各種因素中，溫度對聲速影響最大，溫度每升高1℃，水中聲速大約增大4．6米/秒．一般認為海水中的聲速是1 500米/秒，約是大氣中聲速的4．5倍．

科學家們還測出了各種液體里的聲速．在20℃時，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．由此可見，聲音在液體中傳播大都比在大氣中傳播快許多，這和液體中的分子緊密程度有關．

固體中的聲速也各不相同，經過反復測定發現，聲波在固體中用縱波和橫波兩種形式傳播，這兩種波的波速也不相同．例如，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，棒內的縱波速度是5 000米/秒．在金屬中，鈹是傳聲的能手，在用鈹做的棒內，聲波的縱波速度達到12 890米/秒，是大氣聲速的38倍．聚乙烯塑料傳聲本領較差，聚乙烯棒中的縱波速度只有920米/秒，不及水中聲速快．軟橡膠富有彈性，聲波傳播極慢，只有30～50米/秒．

“跳躍”的聲音

聲音不但會“爬行”，而且還會“跳躍”呢！

1921年5月9日，蘇聯的莫斯科近郊發生了一次大爆炸。據調查，在半徑70公里范圍內，人們清清楚楚地聽到了“轟隆轟隆”的爆炸聲；但是從半徑70公里到半徑160公里的范圍內，人們卻什么也沒有聽到；奇怪的是，從半徑160公里以外一直到半徑300公里的遠方，人們又聽到了爆炸的轟鳴聲。

這真是怪事！聲音怎么會“跳”過中間這片地區呢？物理學家發現，聲音有一種“怪癖”，它在空氣中愛揀溫度低、密度大的道路走。當遇到溫度高、密度小的空氣，聲音便會向上拐彎到溫度較低的空氣中去。如果某一個地區，地面附近的氣溫變化比較復雜，這兒溫度高，那兒溫度低，聲音經過的時候，一會兒拐到高空，一會兒又往下拐，這樣上上下下，就形成了上面所說的那種聲音“跳”動的現象。

安徽省合肥市新建的長途電話大樓，樓頂聳立著一座塔鐘。這塔鐘準時打點，鐘聲悅耳，響遍全市。但是住在遠郊的居民聽到的鐘聲，有時候清晰，有時候模糊，有時正點，有時“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、密度大的道路引起的。天長日久，社員們得出一條經驗：平日聽不見或聽不清鐘聲，一旦突然聽得很清楚，就預兆著天要下雨了，或正在下雨呢！這是因為這時空氣濕度大，濕空氣比干空氣的密度大，容易傳播聲音的緣故。

傳說有這樣一個有趣的故事：從前有一位住在古寺附近的老人，他雖然不識字，卻有識別天氣變化的本領。后來老人快要死了，鄉鄰們要求他把“預測風雨”的秘訣留下，以便今后安排農事。老人同意了，但是他只說了一句話：“遠寺鐘聲清，不用問天公”。說完便咽氣了。當時人們都不明白這句話的意思。隨著科學的發展，人們逐漸懂得了其中的秘密。原來，這位老人已懂得鐘聲清晰程度跟天氣變化的關系了。

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