书城教材教辅课本上读不到的物理故事
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第11章 有趣的声学(2)

【物理碰碰车】枪声传递皇帝登基消息

历史上,俄国皇帝保罗一世在莫斯科登基的消息是用几千名士兵来做到的。当时在两城之间,每隔200米就会在道路旁布设一个士兵。离教堂最近的士兵在听到莫斯科教堂的第一声钟声时朝天空鸣枪,邻近他的士兵听到枪声后也会这样,如此利用依次鸣枪的方式,过了三个小时,这个消息传到了在650千米之外的圣彼得堡。

漫长的对话

那些以为声音在空气里传播速度已经很快了的想法的人,需要改变一下看法了。我们在电视中经常看到主持人与在当地的记者进行连线通话时,记者总是过了一会儿才回答,这并不是他反应慢,而是声音传过去是需要时间的。

假设两个相距650千米的地方,声音的速度变为每秒1/3千米,那么,声音从一个地方到另一个地方需要多少时间呢?这很好算,大约是55分钟。

如果你和好朋友通话,在没有电话的时代,用旧式的传话筒,这是以前安装在商店各卖场和轮船机器中间的一种通话工具。如果你一句话过去,等了很久都没有答复,其实你不用担心,这只是因为他还没有听到你的问候,假设要是相距1000千米以上的两地之间,半个小时听不到回话都很正常,你不必担心朋友是不是发生不测,因为那个时候你的声音他刚刚听到。如果你想听到他的声音,过半个小时再过来听就可以了,照这个速度来看,即使两个人从早到晚说上一整天的话,也就只能交谈十几句话,这样的速度不是急死人嘛。

这样的通话在我们现在看来很是可笑,但是在那时,一个小时已经比用书信传达要快很多了。

【物理碰碰车】音乐厅外的人为什么先听到音乐

假设有两个人,一个坐在音乐厅内,另一个是在音乐厅100千米外用无线电视听演奏,结果却是100千米外的人先听到声音。这是因为声音的传播速度大约只有光的一百万分之一,而无线电波的速度与光的速度差不多,那么声的传播速度也就只有无线电信号的一百万分之一。由此就产生了上面那种有趣的结果。

声音快还是子弹快

“嗖~嗖~”你听见子弹从你头顶上飞过去了?实际上,在你听到声音之前,子弹早就已经飞过去了。要是让你来说,到底是炮弹快呢?还是炮弹射击的声音快呢?

现实生活中,枪弹和炮弹并不常见,只有在射击场上才会见到,但是在战争年代,枪林弹雨的场面并不少见,现在我们也可以通过电视剧、电影中还原的场景看到当时的危险场面。

其实在战场上,如果你已经听到了射击的声音或者是子弹飞过的声音,那么就意味着子弹已经从你身边飞过去了,你也就没有生命危险了。因为被击中的人都是在听到枪声之前就被打中倒下的。这就是因为枪弹是在射击声音的前面。

这个原因也很简单,声音是匀速传播的,而子弹的飞行速度是匀速递减的,但是子弹在其大部分运行轨迹上都比声速要快。现实中的步枪发射出子弹的速度基本上是声音速度的三倍,大约为900米/秒,所以自然是子弹飞得比较快了。

在凡尔纳的科幻小说中,主人公坐着炮弹飞向月球,他对于自己没有听到大炮发射时的声音而感到十分不解。其实这是必然的,因为射击声和一切声音一样,在空气里的传播速度都是340米/秒,而炮弹的速度将近11.000米/秒,炮弹远远在声音的前面,乘客听不到声音也是再正常不过的事情了。

现实生活中我们听到的声音也经常会和所见完全脱节,这个时候,我们就会有疑问,是我们的耳朵出了问题,还是眼睛出了问题?其实都不是,这不过是光速和声速之间速度差而使我们做出了错误结论而已。

子弹的速度以及声速的例子在我们生活中还有很多,我们也经常会因为飞行物的声音的速度和本身的速度而做出错误的判断,但是只要知道中间的原理,很多奇妙的现象就会被解答。

【物理碰碰车】声音灭火器

声音也能灭火?不信?那就自己来试试吧!

准备一个可以调节高低音的音箱、一个可以插在音箱上的麦克风和一根蜡烛。

1把麦克风插在音箱上,找出可以发声的声源,当然也可以用嘴巴发声。

2点燃蜡烛,把它摆放在音箱前一定距离内。

3对着麦克风发出低音,并且把音箱调节到低音频率。

4.接下来,就是不断尝试,直到蜡烛被熄灭的过程

其实,道理很简单。音箱是声源,发声时候会振动,且低音具有一定的振动频率。于是,振动时传送的气压波使得空气也剧烈地波动起来,而振动的空气会熄灭火焰。

冲破声障的超音速飞机

空气能粉碎飞机?这听起来似乎不太可能,但这却是事实,历史上就曾经发生过好几次空气粉碎飞机的事故。

原来,早期飞机的推动器是螺旋桨,螺旋桨式的飞机时速为700多千米。之后,人们发明出向后喷射大量高压气体产生反冲力而向前飞行的飞机,也就是现在大家耳熟能详的喷气式飞机,其时速可达到900多千米。这个速度在当时已经是非常之快了。

但是,人们还想要制造出速度更快的飞机。我们都知道,音速是1200多千米/小时。因此就有人设想,飞机飞行的速度能不能超过音速呢?于是,新发明的喷气式飞机试飞的时候试着赶超音速。但人们的想法似乎过于狂妄,当飞机速度达到1000多千米/小时并持续加速时,猛然间发出了震天巨响,飞机仿佛遇到了巨大的阻碍物,被撞得粉身碎骨。之后,人们又相继作出努力,想要冲破这个像大山一样的障碍物,但结果依然是飞机在空中变得粉碎。

人们百思不得其解,为解开这个谜题,飞机设计师、工程师和物理学家联合起来,对事故进行严密的调查分析,反复进行模拟实验,终于找到了粉碎飞机的罪魁祸首,那就是空气。

这一结果令大众一片哗然,物理学家的解释是:

飞机在空中飞行时,由于体积巨大,会使前面的空气收缩压紧,形成一堵肉眼看不见的“空气墙”,这堵墙壁就形成了大山一样的障碍物,总是阻碍飞机飞行。当飞机的速度越大,空气的密度也不断增大,从而这堵“空气墙”就越坚固。因为飞机周围压力各不相同,存在着压力差,飞机速度越快,这个压力差的值也就随着增加,从而使飞机粉碎。

物理学家把“空气墙”的阻碍作用称之为“声障”,一段时间以来,“声障”被认为是难以跨越的。于是就有人提出,难道人类就无法超越音速吗?事实不是,减小飞机周围的压力差,突破“空气墙”的障碍也不是不可能。

科学家们通过研究发现,如果把飞机造成两头尖、中间粗的形状,把飞机的两翼再朝后一些,飞机飞行时的压力差就可以减小。随着技术的不断改进,现在,一些先进的喷气式飞机的速度已经达到了声速的两三倍。

【物理碰碰车】撕裂空气的大爆炸

1947年10月的一天,美国西部的莫哈维沙漠上空一片沉静。忽然,从空中的一架飞机上传出了巨大的爆炸声。随着爆炸声的响起,飞机后半部出现了一大团白色的水雾,仿佛给飞机套上了一件天鹅裙。爆炸过后,沙漠上出现了一群人,他们欢呼雀跃,把帽子扔上了天。一切平息之后,飞机缓缓降落,随后,飞机里走出了一名年轻人,他叫耶格尔,此刻他激动万分,他就是第一个把声音抛在身后的人。

声音炸弹来袭

声音也能做炸弹?这真是太不可思议了!没错,声音不仅能做炸弹,而且它做成的炸弹杀伤性还不小呢!

2006年4月26日,美国亚利桑那州的911报警电话被打爆了,人们纷纷表示,他们听到了爆炸声,某个地方发生了恐怖袭击或地震!这是真的吗?人们一下子恐慌起来。可事实却让人啼笑皆非——爆炸声来源于两架飞机超音速飞行时产生的音爆。

当然,音爆产生的趣事不止这一件!上世纪,一家开在美国空军基地的养鸡场老板曾经起诉空军,原因是——他的上万只鸡都被耍酷的飞行员用音爆给震死了!这些飞行员真疯狂,怪不得鸡场老板会生气!

当然,音爆的危害远不止杀几万只鸡那么简单!在以巴加沙冲突期间,以色列空军曾在夜间对加沙城实施了多次音爆袭扰。当时,强大的“音爆”犹如重磅炸弹响彻整个加沙走廊,人的耳朵根本无法承受。与此同时,巨大的震动波还震裂了墙壁,震碎了无数玻璃!

听起来像炸弹爆炸的音爆,到底有多大的能量呢?一般来讲,一架低空超音速飞行的战斗机产生的音爆就足以震碎门窗玻璃!更有人测量过,一架在16000米高空以两倍于音速飞行的飞机产生的音爆在地面上的人听来,就像身处一个重金属音乐会的大音箱旁。那样的声音可是很恐怖的!正因为如此,很多时候,低空飞行的飞机是不允许做超音速飞行的,以免不慎震坏了门窗或者某人的耳朵!当然,最有趣的是,驾驶飞机的飞行员竟然对音爆“充耳不闻”。因为身在激波的中间,处于稳定的压强条件下,因此飞行员完全听不到音爆,当然也就不会受伤。

是不是很恐怖呢?不过,这样强烈的音爆还是很少见的,如果你真想听音爆声,就去公园听老爷爷抽陀螺吧,那也是音爆的一种!这种音爆听起来是不是可爱多了?

【物理碰碰车】恐龙也会制造“音爆”

音爆,是物体在空气中运动的速度突破音速时产生冲击波所引起的巨大响声。通常,超音速战斗机或其他超音速飞行器跨音速飞行时会出现音爆。

公园里的老大爷会产生“啪啪”的清脆响声,这就是抽鞭子时鞭梢的速度突破音速而形成的。此外,还有科学家推测,距今1.5亿年前,恐龙尾巴以音速甩动时也会产生音爆!至于这是不是真的,恐怕只有恐龙知道了。

如果声速下降了

现在大家说话交流的时候非常顺畅,可能此时大家也不会想到声速在其中起的作用。但是如果有一天声速真的下降了,你可能马上就会怀念正常的声速了。

假设声音的速度从340米/秒变为340毫米/秒,也就是减小了1000倍,这样的速度比人的步行速度还要慢,会发生什么情况呢?

在这种情况下,当你的朋友向你走来的时候,你听到他说的话顺序会发生颠倒,你甚至可能会感觉你的朋友正在胡言乱语。这是因为他刚发出的声音先了传来,而之前他跟你说的话却更晚到达你的耳朵。

除了上面的情况,我们还可能会遇到这样的情况。在通常状况下,如果屋子外面的人来回走动并且边走边说话,按照常理这并不会防碍到你听到他说话,但是如果声音速度减小,他先说的话会和后说的话重叠在一起,这个时候你根本听不清他说的话,只能听到一片嘈杂的噪音。

所以,如果声音速度变慢,还真是会给人们的生活带来很多不方便。但是幸运的是,这只是一个假设。不过,下次与朋友谈心聊天的时候,不放在心里默默地感谢一下没有发生改变的声速吧!

【物理碰碰车】捕捉声音的“声音黑洞”

声音也能被捕获?听来不可思议,但人造声音黑洞确实存在,它能促使科学家探测到霍金辐射,可以为摧毁黑洞打下基础。科学家仿照黑洞形成原理,让一种特殊的材料以超音速在介质中穿行,这样,原本在介质中穿行的声音就会因跟不上这种材料的速度而最终被捕获!当然,如果你发现了其他摧毁黑洞的方法,孩子,那就不需要声音黑洞了。你能发现吗?

声音可以粉碎玻璃:声波具有能量

到底是什么击碎了玻璃杯

在漫画中会有这样比较夸张的情节:一个人特别生气,大叫一声,然后震碎了桌子上的杯子,头顶上的灯,整个地板也都跟着颤抖起来。近来,这样的漫画情节居然真的发生了。

据报道,一位男高音歌唱家在剧场表演,观众席上座无虚席。只见他轻盈地走上舞台中央,金色的卷发在灯光的照耀下格外耀眼。他轻轻挥起右手停在半空中,深吸一口气,从嘴巴里爆发出响亮的男高音。没过多久,舞台周围的装饰灯被震裂了,观众的眼镜被震碎了,整个歌唱大厅都快要被声音震垮了。

看到这则报道的人们不禁怀疑起这则新闻的真实性,高音真的能击碎玻璃吗?

后来,科学家专门对此作出了解释。他们邀请到了许多高音歌唱者,在实验室摆满了几十个不同厚度的玻璃制品,有杯子、瓶子、烧杯等。接着用不同音量发音,结果真有几只杯子和瓶子被击碎。当然发出如此高分贝的音量也不是一般人能做到的。

声音是如何将玻璃击碎的呢?原来,声波的震动会产生能量,这个能量就是“声能”。声音通过介质的传播,会以波的形式发生转移和转化。当声波传递到其他界面后,会带动其他物体震动。如果在发声的高音喇叭前面放一只燃烧的蜡烛,我们能观察到蜡烛火苗的偏移。

【物理碰碰车】细数声音的特性

声音有三个特性,分别是频率、音调和声色。声源在单位时间内完成振动的次数,叫频率,频率越大,声源振动得越快。人耳能听到的声音频率在20~20000赫兹之间。音调,表示声音的高低,由频率决定,频率越高音调越高。音色,是声音的感觉特性,不同的发声体因材料、结构不同而具有不同的音色,如小提琴和钢琴的声音就不同。当然,你的声音也是不可复制的!

声音变小后,声波去哪了

我们知道声音以波的形式在各种介质里传播着,我们称之为“声波”。那么,你有没有想过,人的声音变小时,声波跑到哪里去了呢?是消失了吗?