初中物理专题深入解析

篇1：初中物理专题深入解析

在水中进行观察和测量，得天独厚的更只有声波。这是由于其他探测手段的作用距离都很短，光在水中的穿透能力很有限，即使在最清澈的海水中，人们也只能看到十几米到几十米内的物体；电磁波在水中也衰减太快，而且波长越短，损失越大，即使用大功率的低频电磁波，也只能传播几十米。然而，声波在水中传播的衰减就小得多，在深海声道中爆炸一个几公斤的炸弹，在两万公里外还可以收到信号，低频的声波还可以穿透海底几千米的地层，并且得到地层中的信息。在水中进行测量和观察，至今还没有发现比声波更有效的手段。

声呐就是利用声波对水下目标进行探测和定位的装置，是水声学中应用最广泛、最重要的一种装置。它是SONAR一词的“义音两顾”的译称，而SONAR是Sound Navigationand Ranging（声音导航测距）的缩写。

声呐分为主动声呐和被动声呐。主动声呐由简单的回声探测仪器演变而来，它主动地发射超声波，然后收测回波进行计算，适用于探测冰山、暗礁、沉船、海深、鱼群、水雷和关闭了发动机的隐蔽的潜艇；而被动声呐则由简单的水听器演变而来，它收听目标发出的噪声，判断出目标的位置和某些特性，特别适用于不能发声暴露自己而又要探测敌舰活动的潜艇。

换能器是声呐中的重要器件，它是声能与其它形式的能如机械能、电能、磁能等相互转换的装置。它有两个用途：一是在水下发射声波，称为“发射换能器”，相当于空气中的扬声器；二是在水下接收声波，称为“接收换能器”，相当于空气中的传声器（俗称“麦克风”或“话筒”）。换能器在实际使用时往往同时用于发射和接收声波，专门用于接收的换能器又称为“水听器”。换能器的工作原理是利用某些材料在电场或磁场的作用下发生伸缩的压电效应或磁致伸缩效应。

和许多科学技术的发展一样，社会的需要和科技的进步促进了声呐技术的发展。

“冰海沉船”事件促使了回声探测仪的诞生。4月14日，英国豪华大客轮“泰坦尼克号”在赴美首航途中的北大西洋与冰山相撞而沉没，这一有史以来最大的海难事故引起了很大的震动，促使科学家研究对冰山的探测定位。英国科学家L。F。里查孙在船沉没后5天和一个月以后连续报了两项专利，利用声波在空气中和水中探测障碍物，提出要使用有指向性的发射换能器，但它没有继续做工作实现他的专利。，美国科学家R·A·费森登（R·A·Fessenden）申报了水下探测的多项专利并用自己设计的动圈式换能器制造了第一台回声探测仪。4月他用这台设备（发出的500－1000Hz的声波成功地探测到2海里门(3．7公里）之外的冰山。

紧接着，第一次世界大战爆发，战争极大地推动了水声定位定向兵器的发展。第一次世界大战期间，德国潜艇大肆活动，展开了“无限潜艇战”，一时横行无敌，对协约国和其他国家的海上运输造成了很大的威胁，几乎中断了横跨大西洋的运输。协约国和其他国家十分恼火，相继发展水声设备，对水下的潜艇进行探测，当时不少著名的科学家都参加了这一工作。一位年轻的俄国电机工程师C。希洛夫斯基很早就在冰海沉船影响下开始了水声探测设备的研制，第一次世界大战开始后，他在瑞士山中养病，感到多反潜战的重要性之后，把自己的研究转为使用高频声波对潜艇进行；回声探测的设想。他的建议在2月得到法国政府的采纳，事并把它交给法国著名物理学家朗之万（Langevin）教授负责实施。朗之万和希洛夫斯基决定使用高频率的超声，他们采用云母静电换能器，在两个电极中安放云母片，加上交变电压后就可以发射声波，以碳粒传声器做接收换能器，用这样简陋的设备在底和初在赛纳河的两岸间作传播试验获得成功，实现了两公里的单向传播，收到了海底的反射信号和200m外一块钢板的反射信号。他们成功的消息传到英国，英国也成立了一个小组研制回声探测仪。

为增大探测距离，就要提高发射的强度和接受的灵敏度，他们利用1880～间发现的压电效应来产生和接收超声波，只不过这压电效应还很微弱。恰巧，当时在电子学领域发明了大功率电子管高频放大器，这正好用来放大压电效应。剩下的问题就是寻找具有压电效应的石英单晶。

11月，朗之万终于说服一位眼镜商献出他珍藏多年直径约10英寸的石英单晶展品，从中切出晶片，做成石英压电接收换能器，配以云母静电发射换能器，完成了6km的单程信号收发，后来又利用石英替代云母完成了8km的单程信号传播，而且第一次搜寻到了1500m处潜艇的回波。

英国人知道了朗之万的成功之后，到处搜寻大块的水晶，英国地质博物馆的水晶展品被搜罗一空后，又来求法国的水晶眼镜商人，他们从仓库里找到大量水晶块，制造出回声探测器。美国科学家听了英法代表团介绍朗之万的成功后，也加强了这方面的研究工作。

在这段时间里，人们还研制了被动声呐，通过收听敌舰的噪声来测定它的方位。最早的被动收听声呐只有两个接收器，通过带在人头上的听诊器收听。为准确地确定距离，后来发展成每侧多个水听器的有空间分布的线阵，靠旋转线阵，用耳朵判断敌舰的方位。

可惜直到第一次世界大战结束，他们也没有做出进一步的成果。超声回声探测成功太晚，没有能在第一次世界大战中显示巨大威力。但是，朗之万和它的同事们的杰出成就，开创了超声检测的应用技术。

第一次世界大战以后的年代里，主动声呐和被动声呐都得到进一步的发展。英美以发展主动式声呐为主，使用了较高的频率，使之与本舰的噪声频段相差较远，能不受本舰噪声干扰，如朗之万的声呐频率是38kHz，后继的声呐频率也大多在10kHz～30kHz，而且由于频率较高，可以形成很强的指向性。而此时德国是战败国，根据凡尔赛和约的规定，不得建潜艇，并只能有吨位小的军舰，他们的注意力则集中在发展被动收听系统。德国的欧根王子号巡洋舰上装有每侧60个水听器的共形阵，设计精良，对以后的被动声呐发展影响很大。到时，在法国物理学会50周年纪念展览会上展出了朗之万和希洛夫斯基共同研制的回声探测仪，在当时总共约有3000多条战舰装有不同型号的水声设备。出现了温度深度计，能很快地测量和计算海水中声速随深度的变化，从而掌握声音传播的条件，为声呐的进一步发展打下了基础。

篇2：初中物理专题深入解析

声学是经典物理学中历史最悠久而当前仍在前沿的一个分支学科。因而它既古老而又颇具年轻活力。

声学是物理学中很早就得到发展的学科。声音是自然界中非常普遍、直观的现象，它很早就被人们所认识，无论是中国还是古代希腊，对声音、特别是在音律方面都有相当的研究。我国在3400多年以前的商代对乐器的制造和乐律学就已有丰富的知识，以后在声音的产生、传播、乐器制造、乐律学以及建筑和生产技术中声学效应的应用等方面，都有许多丰富的经验总结和卓越的发现和发明。国外对声的研究亦开始得很早，早在公元前5，毕达哥拉斯就研究了音阶与和声问题，而对声学的系统研究则始于17世纪初伽利略对单摆周期和物体振动的研究。17世纪牛顿力学形成，把声学现象和机械运动统一起来，促进了声学的发展。声学的基本理论早在19世纪中叶就已相当完善，当时许多优秀的数学家、物理学家都对它作出过卓越的贡献。英国物理学家瑞利（Lord John William Rayleigh，1842～1919）发表巨著《声学原理》集其大成，使声学成为物理学中一门严谨的相对独立的分支学科，并由此拉开了现代声学的序幕。

声学又是当前物理学中最活跃的学科之一。声学日益密切地同声多种领域的现代科学技术紧密联系，形成众多的相对独立的分支学科，从最早形成的建筑声学、电声学直到目前仍在“定型”的“分子—量子声学”、“等离子体声学”和“地声学”等等，目前已超过20个，并且还有新的分支在不断产生。其中不仅涉及包括生命科学在内的几乎所有主要的基础自然科学，还在相当程度上涉及若干人文科学。这种广泛性在物理学的其它学科中，甚至在整个自然科学中也是不多见的。

在发展初期，声学原是为听觉服务的。理论上，声学研究声的产生、传播和接收；应用上，声学研究如何获得悦耳的音响效果，如何避免妨碍健康和影响工作的噪声，如何提高乐器和电声仪器的音质等等。随着科学技术的发展，人们发现声波的很多特性和作用，有的对听觉有影响，有的虽然对听觉并无影响，但对科学研究和生产技术却很重要，例如，利用声的传播特性来研究媒质的微观结构，利用声的作用来促进化学反应等等。因此，在近代声学中，一方面为听觉服务的研究和应用得到了进一步的发展，另一方面也开展了许多有关物理、化学、工程技术方面的研究和应用。声的概念不再局限在听觉范围以内，声振动和声波有更广泛的含义，几乎就是机械振动和机械波的同义词了。

自然界从宏观世界到微观世界，从简单的机械运动到复杂的生命运动，从工程技术到医学、生物学，从衣食住行到语言、音乐、艺术，都是现代声学研究和应用的领域。

声学的分支可以归纳为如下几个方面：

从频率上看，最早被人认识的自然是人耳能听到的“可听声”，即频率在20Hz～0Hz的声波，它们涉及语言、音乐、房间音质、噪声等，分别对应于语言声学、音乐声学、房间声学以及噪声控制；另外还涉及人的听觉和生物发声，对应有生理声学、心理声学和生物声学；还有人耳听不到的声音，一是频率高于可听声上限的，即频率超过0Hz的声音，有“超声学”，频率超过500MHz的超声称为“特超声”，其对应的波长约为10－８m量级，已可与分子大小相比拟，因而对应的“特超声学”也称为“微波声学”或“分子声学”。超声的频率还可以高1014Hz。二是频率低于可听声下限的，即是频率低于20Hz的声音，对应有“次声学”，随着次声频率的继续下降，次声波将从一般声波变为“声重力波”，这时必须考虑重力场的作用；频率继续下降以至变为“内重力波”，这时的波将完全由重力支配。次声的频率还可以低至10－4Hz。需要说明的是，从声波的特性和作用来看，所谓20Hz和0Hz并不是明确的分界线。例如频率较高的可听声波，已具有超声波的某些特性和作用，因此在超声技术的研究领域内，也常包括高频可听声波的特性和作用的研究。

从振幅上看，有振幅足够小的一般声学，也可称为“线性（化）声学”，有大振幅的“非线性声学”。

从传声的媒质上看，有以空气为媒质的“空气声学”；还有“大气声学”，它与空气声学不同的是，它主要研究大范围内开阔大气中的声现象；有以海水和地壳为媒质的“水声学”和“地声学”；在物质第四态的等离子体中，同样存在声现象，为此，一门尚未成型的新分支“等离子体声学”正应运而生。

从声与其它运动形式的关系来看，还有“电声学”等等。

声学的分支虽然很多，但它们都是研究声波的产生、传播、接收和效应的，这是它们的共性。只不过是与不同的领域相结合，研究不同的频率、不同的强度、不同的媒质，适用于不同的范围，这就是它们的特殊性。

篇3：初中物理专题深入解析

《初中物理专题深入解析》声音的骨传导

骨头是声音的良导体。声音的振动还可以不经由外耳、中耳面直接传到内耳。这恰是依靠头盖骨自己传达的!如不美观我们把敲响的音叉的尾部靠紧头顶或耳后的乳状突骨上或牙上，同时，把耳封堵塞紧，虽然这个声音经由空气不能传达到耳，但音叉的振动可经由头盖骨传人内耳，刺激听觉神经，我们仍然能清嚣张地听到声音。这种传导体例叫做骨传导。

你不妨试一试，把手表咬在牙上，虽然用手堵住双耳，但仍然可以清楚地听到表的嘀嗒声!

音乐家贝多芬耳聋后，就是用一根棒来听钢琴吹奏的。他打开钢琴上盖，把棒的一端触在钢琴上，另一端咬在牙齿中心，钢弦发声时的振动传到棒上，再由齿骨传到内耳。有些聋者，耳朵鼓膜破损，但内部听觉器官还无缺，他们能依着音乐的拍子跳舞，就是因为音乐的声音经由地板和他们的骨骼传到听觉器官的缘故。

我们还会有这样的体验：我们听自己在录音机里的声音时，总感受不太象自己的声音，而别人听来都认为象，这是怎么回事呢?其实录音机里的声音并没有失踪真，它录下的是措辞人经由过程空气传来的声音，别人常日直接听到的措辞人的声音也是经由过程空气传来的，所以别人都认为象措辞人的声音。而我们听自己发出的声音，首要靠骨传导这种传导体例，因为空气和骨头是分歧的媒质，所以两种声音的音色就有分歧。看来，用骨导听所以普遍存在着的，虽然它在听外来的声音时是何等未便利。

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