物理八年级上册3.2-3.3声音的特性；超声与次声-导学案-沪科版

年 级八年级学 科物理版 本上海科技版课程标题第三章 第二、三节 声音的特性；超声与次声一、学习目标知识点要求层次新课标具体要求响度、音调、音色了解了解乐音的特性噪声的防治知道知道噪声的危害和控制其的方法超声与次声了解了解现代技术中声学知识的一些应用2、 重难点提示重点：乐音的特性，噪声的防治，超声的应用，噪声的危害。难点：影响乐音的特性的因素。知识梳理：一、知识脉络图二、知识点拨（一）声音的强弱响度1. 实验探究：影响声音强弱的因素提出问题：当我们想招呼操场远处的同学时，我们就会大声地呼喊；当我们在图书阅览室交谈时，就会轻声细语。可见，声音有强弱的不同，物理学中把人耳能感觉到的声音的强弱叫做响度。那么，声音的响度又是由什么决定的呢？猜想与假设：声音的响度与发声体振动的强弱有关。进行实验：如图所示。在一块木板的两头各钉一枚钉子，在两枚钉子间系一根吉他弦。钩住弦的中间，将它向外拉开一定距离，然后松开，听一下弦发出的声音。多次重复步骤，每次将弦拉开一个更大的距离，仔细比较每次听到的声音强弱有什么不同。探究归纳：在实验中我们观察到，琴弦被拉开的距离越大，也就是振动的幅度越大，琴弦的振动就越强，产生声音的响度就越大。物理学中把物体振动的幅度称为振幅，物体的振幅越大，产生声音的响度就越大。2. 影响响度的两个因素声音的响度一般与声源（发声体）振动的幅度有关，振幅越大，响度越大。声音的强弱常用响度来表示，其单位是分贝（dB），声音的强弱不同，听觉效果不同。下表列出了人的听觉效果与声音强弱的关系：听觉效果与声音的强弱声音声音的强弱/dB听觉效果（感觉）树叶微动10极静轻声交谈2030安静正常说话4050正常大声呼喊7080较吵汽车喇叭90很响载重汽车100110震耳飞机发动机120130疼痛难忍声音的响度还跟距离声源的远近有关。声音是从声源向四面八方传播的，人距声源越远，声音越分散，人耳感觉到的声音响度就越小，反之就越大。此外，响度同时还受一些其他客观因素的制约，如人耳的主观感觉、声音传播途中是否有障碍物等。（二）声音的高低音调物理学中，把声音的高低称为音调。音调是描述声音高低的物理量。1. 实验探究：影响声音高低的因素提出问题：什么因素决定音调的高低？音调与物体振动的快慢是否有关？猜想与假设：声音是由物体振动产生的，物体的振动有快有慢，音调是否与物体振动有关呢？ 进行实验：如图所示，将一把钢尺夹在桌子的抽屉里，一端伸出桌边，多次改变钢尺伸出的长度，然后拨动钢尺。注意使钢尺每次的振动幅度大致相同，听钢尺发出的声音。归纳总结：比较几次钢尺振动的快慢和发声的音调，可以得出：钢尺越短，钢尺振动得越快，发出声音的音调越高。音调的高低与发声物体振动的快慢有关，物体振动越快，音调就越高。2. 说明频率：每秒内振动的次数，用来描述振动的快慢。单位是赫兹，简称赫，符号为Hz。音调与频率的关系频率决定声音的音调，频率越大，音调越高；频率越小，音调越低。一般来说，儿童说话的音调比成年人高，女人的音调比男人高。弦振动发出的声音的音调与弦的长度和松紧程度有关。一般来说，在同样松紧的情况下，短弦比长弦振动更快，产生的音调更高。如钢琴键盘上最左端的键连接着最长的弦，其振动频率约为27Hz，它发出的声音是所有键中音调最低的，而最右端的键发出的是音调最高的声音，它连接着最短的弦，这根弦的振动频率约为4186Hz。音调的高低与发声物体的形状、尺寸和所用材料的性质等多种因素都有关系。例如笛子是靠竹管内空气柱的振动发声的，用手指按住或放开它上面不同的孔，改变空气柱的长度，就能发出高低不同的声音。3. 响度与音调的区别物理意义影响因素响度声音的强弱振幅、距声源远近音调声音的高低振动频率（三）声音的特色音色问题情景：物体振动会发出声音。但敲锣是锣音，打鼓是鼓声，再使劲敲锣也敲不出鼓声来，因为锣、鼓的构造不同。被敲的物体发出什么样的声音，这和振动物体本身的因素有关。1. 音色的概念声音的特色叫音色，曾经叫音品。音色反映了声音的品质与特色，不同发声体的材料、结构不同，发出声音的音色也就不同。2. 关于音色需注意的两个问题音色是由发声体本身的因素决定的，发声体变化，音色也将变化。同一个人的音色会随着年龄的增长及饮食、起居、健康、训练等因素而变化。（四）噪声1. 概念无规律的、难听刺耳、让人心烦的声音叫噪声。如喷气式飞机飞行的声音，工厂里的金属敲打声等。从物理学的角度看，噪声是物体不规则的振动所产生的声音。从环境保护的角度看，凡是妨碍人们正常休息、学习和工作的声音以及对人们要听的声音起干扰作用的声音，都属于噪声。2. 来源在我们周围，噪声通常来自汽车、摩托车等交通工具，电机、机床等工业机械，以及空调、冰箱等家用电器。3. 危害噪声对人们的心理和生理都会有伤害。轻则分散注意力，影响情绪；重则伤害身体，甚至危及生命。超过50dB就会影响人的休息和睡眠；70dB以上会干扰谈话，影响工作效率；长期生活在90dB以上的噪声环境中，会严重影响听力和引起神经衰弱、头痛、血压升高等疾病。4. 防治人们通常从噪声的产生、传播及接收这三个环节进行防治。在实践中，针对不同噪声的特点，人们选择不同的方法防治噪声。例如在摩托车上安装消声器可减弱气流噪声；使用吸音材料、高速公路两旁建隔音墙、道路旁植树等都可以有效地减弱噪声的传播；在噪声环境下工作的工人戴上防噪声耳罩可以减弱人耳接收的声音强度。很多国家正在大力开展噪声控制的研究工作，形成一门新的学科，叫“噪声工程学”。在这门新兴学科里，有很多关系到人类健康的问题等待解决。（五）超声问题情景：驯狗人静静地站着，看着不远处的狗。为了引起狗的注意，驯狗人轻轻地吹出一声哨声，也许你什么也听不见，狗却停了下来，竖起耳朵，然后向驯狗人跑来。为什么狗听到了哨音而你没有听见呢？这是因为狗可以听到20000Hz以上频率的声音，而这一声音不在人耳的听觉频率范围内。有些动物能用人类听不到的声音交流。大象睡醒时，会用脚踏击地面，这种踏击会产生一种人耳听不见的低频的声音，而这种声波可以通过地下传到50km以外的地方，被其它大象听到。那么人的听觉频率范围是多少呢？1. 实验探究：人耳能听到的声音频率范围是多少？进行实验：用一台音频发声器通过音箱由低到高发出频率不同的声音。让甲同学闭上眼睛，当他刚听到声音举手直到听不到声音手放下。让乙同学根据甲同学的动作，记录相应声音频率的数值，就是甲同学听觉频率的范围。然后甲、乙互换，再做一次实验。实验结论：实验证明，人的耳朵只能听到2020000Hz之间的声音，低于或高于该频率范围的声音人都听不到。 超声：频率高于20000Hz的声音叫超声，蝙蝠、海豚等动物能听到超声。次声：频率低于20Hz的声音叫次声，大象、鲸等动物能听到次声。2. 超声的特点和应用（1）超声具有许多特点，在军事、医疗、工农业生产中有着广泛的应用。特 点应 用频率高，方向性好，反射力强超声雷达（声呐）穿透能力强超声诊断仪（B超），超声金属探伤仪“破碎”能力强超声波杀菌消毒，超声波去污生理作用缩短种子发芽时间，提高发芽率（2）由于超声具有频率高的特点，在生产、科研等方面的具体应用有：人类发不出超声，也听不到超声，但自然界中却有许多动物不仅能发出超声而且还能听到超声。蝙蝠能发出超声，但它的发声频率范围是10000120000Hz，所以它发出的声音并非都是超声。受蝙蝠利用超声导航的启示，科学家发明了超声雷达声呐。利用声呐系统，人们可以探知海洋的深度，绘出海面下数千米的地形图，还可以探测鱼群、潜艇的位置等。声呐是利用超声对目标进行探测、定位和通信的系统。超声具有很强的穿透能力和很强的“破碎”能力，超声诊断仪（如B超）可以用来检查人的身体、治疗人体疾病；超声金属探伤仪能探测金属内部存在的缺陷。超声能将一般情况下不能混合的液体（如油和水）混合在一起，可用在化学工业上；超声还能破坏细菌结构，因此用其对医疗器械和食物等进行杀菌消毒。（六）次声1. 来源：自然界中，地震、火山爆发、海啸、风暴等都能产生次声；核爆炸、导弹发射、火箭起飞、急驰车辆的振动等也能产生次声。2. 危害：能量很高的次声具有很大的破坏力，对人有着极大的危害。强次声能使机器设备破裂、飞机解体、建筑物遭到破坏；在强次声环境中，人的平衡器官的功能将受到破坏，会产生恶心、眩晕、旋转感等症状，严重的会造成内脏出血破裂，危及生命。3. 预防：次声破坏性强，危害性大，人耳却无法听到，所以在生产等活动中要避免次声的产生，尽量远离可能产生次声的区域。4. 应用由于次声的频率很低，所以在传播过程中其不易被大气吸收。例如，1883年8月26日和27日，印度尼西亚的喀拉喀托火山连续两天喷发时所产生的次声围绕地球转了三圈，传播了十几万千米，当时，人们利用简单的微气压计记录了它。次声不但“跑”得远，而且它的速度大于风暴传播的速度，所以它成了海洋风暴来临的前奏曲，人们可以利用次声来预报海啸、风暴的来临。自然界中一些动物的听觉频率范围和发声频率范围：大象狗海豚听觉120000Hz1550000 Hz150150000 Hz发声最低12Hz4501800 Hz7000120000 Hz【说明】 （1）核爆炸、导弹发射的声音频率最低可为0.01Hz，说明它通常发出次声，但并非都是次声。 （2）只有强次声才对人体有害。 典例精析：知识点1：响度、音调、音色例题1 如图所示，在同一个轴上固定着三个齿数不同的齿轮。当齿轮旋转时，用纸片分别接触齿轮，使纸片发出声音的音调最高的是 （选填“上面”、“中间”或“下面”）的齿轮。思路导航：由于三个齿数不同的齿轮在同一个轴上固定，则在旋转时，齿数多的在相同时间内敲击纸片的次数多，即频率高，而频率越高，发出声音的音调就越高，所以纸片接触下面的齿轮时发出声音的音调最高。 答案：下面例题2 小明是一个音乐爱好者，平时喜欢口琴。学习了声音的知识后，他想弄清口琴的发声原理。于是，便把自己的口琴拆开，发现口琴的琴芯结构如图所示，在琴芯的气孔边分布着长短、厚薄都不同的一排铜片，这些铜片在气流的冲击下振动发声。小明发现：在气流冲击下，较厚较长的铜片发出的声音比较薄较短的铜片发出的声音的音调要低。对照小明的发现及示意图填空。（1）较厚较长的铜片发声时的振动要比较薄较短的铜片振动_（选填“快”或“慢”）（2）如图所示中的I区是 音区，区是 音区，区是 音区（选填“高”“中”或“低”）。思路导航：较厚较长的铜片受气流冲击时振动慢，发声的音调低。从题图中可以看出，从右到左，铜片长度越来越短，所以表明I区、区、区分别是低音区、中音区、高音区。答案：（1）慢 （2）低 中 高点评：各种乐器之所以能演奏出高低不同的音调，是因为它们都有各自的发声机制。一般来说，弦乐器是靠弦的长短、粗细来改变音调的，如吉他；管乐器是靠空气柱的长短来改变音调的，如笛子。例题3 小何自制了一个哨子，如图所示，在筷子上缠一些棉花，做成一个活塞，用水蘸湿棉花后插入两端开口的塑料管中。用嘴吹管的上端，可以发出悦耳的哨声。关于哨子，下列说法正确的是（ ）A. 哨子是由于空气柱振动而发出声音的B. 在月球上吹这个哨子，也能听到哨声C. 吹哨时，上下推拉活塞的目的是改变哨声的响度D. 活塞不动，用更大的力吹哨子，哨声的音调会更高思路导航：用嘴吹管的上端时，管内空气柱振动而发出声音，故A选项正确；由于月球上没有空气，声音不能在真空中传播，所以在月球上听不到哨声，故B选项错误；吹哨时，上下推拉活塞的目的是改变哨声的音调，而不是改变它的响度，故C选项错误；活塞不动，用更大的力吹哨子，哨声的响度会变大，而不是改变它的音调，故D选项错误。答案：A知识点2：噪声例题1 下列有关噪声的叙述，错误的是（ ）A. 发声体做无规则振动发出的声音是噪声B. 妨碍人们正常工作、学习和休息的声音都是噪声C. 中考期间，考场附近机动车禁鸣喇叭属于在传播过程中减弱噪声D. 在校园内植树可以减弱校外传来的噪声思路导航：噪声有两层概念：一是从声音产生的角度来定义，即发声体无规则振动发出的声音；另一种是从环境保护的角度来定义，凡是影响人们正常工作、学习、休息的声音均属于噪声。减弱噪声的途径有三个，即在声源处减弱、在传播过程中减弱、在人耳处减弱，C选项属于在声源处减弱噪声，D选项植树造林可以有效地减弱声音的传播，是在传播过程中减弱噪声。 答案：C例题2 下图是控制噪声的几种措施，其中属于防止噪声产生的是（ ）思路导航：A选项是从声源处减弱噪声，B、C选项是从传播过程中减弱噪声，而D选项是从人耳处减弱噪声。 答案：A知识点3：超声例题1 关于超声波，下列说法正确的是（ ）A. 超声波就是速度超过340m/s的声波B. 超声波的穿透能力很强，可以越过一定厚度的真空向前传播C. 超声波在水中比在空气中传得快、传得远D. 超声波易于集中，所以响度特别大思路导航：超声波是指频率高于20000Hz的声音，在空气中的传播速度与我们生活中听到的声音在空气中的传播速度相同，A选项错误。超声波人耳听不到，但它仍是声波，不能在真空中传播，B选项错误。超声波人耳听不到，更谈不上声音的响度，D选项错误。答案：C例题2 通常情况下，人耳能听到的声音的频率范围是2020000Hz，其中频率高于20000Hz的声音称为 。请你列举一个人们利用这种声音的实例： 。思路导航：超声的频率高于20000Hz，由于超声具有方向性好、穿透力和“破碎”能力强的特性，其应用非常广泛，如声呐（或超声雷达测速仪、B超等）、超声探伤仪等。答案：超声 声呐（或超声雷达测速仪、B超等）、超声探伤仪（其他答案合理均可）例题3 超声在海水中的传播速度是1500m/s，合 km/h。如果从某处海面竖直向海底发出的超声经4s返回海面，则该处海水的深度是 m。思路导航：1500m/s=15003.6km/h=5400km/h，海水的深度s=vt/2=1/21500m/s4s= 3000m答案：5400 3000知识点4：次声例题1 人们听不到蝴蝶飞的声音，却可以听到蚊子飞来飞去的嗡嗡声，这是由于（ ）A. 蝴蝶翅膀振动弱，声音响度小B. 蝴蝶翅膀每秒振动的次数低于20次，超出人的听觉频率范围C. 蝴蝶翅膀振动时不会发出声音D. 蚊子数量多，蝴蝶数量少思路导航：蝴蝶翅膀每秒钟振动的次数低于20次，即振动频率小于20Hz，在人能够听到的声音频率范围之外，故人听不到蝴蝶飞行的声音。 答案：B例题2 下列事例中，应用了次声波的是（ ）A. 用声呐系统测海底深度 B. 蝙蝠确定目标的方向和距离C. 预报海啸、台风 D. 海豚判断物体的位置和大小思路导航：声呐、蝙蝠和海豚利用的都是超声，因为台风、海啸等自然活动能发出次声，所以可以通过监测次声，进行预警。 答案：C例题3 2008年5月12日我国汶川地区发生了8.0级的大地震，给人民群众造成了重大损失，因为地震产生的声波属于 （选填“次声波”或“超声波”），所以地震前人们并没有感知到，倒塌房屋中的一些被困人员，通过敲击物体使其 发出声音，及时获救。思路导航：地震产生的声波属于次声波，次声波的破坏性强，危害性大。可从文段中“敲击物体”理解声音产生的原因。 答案：次声波 振动高频疑点：1. 响度与音调容易混淆辨析：响度指声音的大小，取决于振动物体的振幅和距振动物体的距离；音调指声音的高低，取决于振动物体的频率。在区分响度与音调时，注意从它们的决定因素入手分析。例题 吼猴是世界上叫声最响的动物之一，它以雷鸣般的吼声警告其他动物不要侵犯它的领地。这里的“雷鸣般”描述的是声音的（ ）A. 音调 B. 响度 C. 音色 D. 声速思路导航：打雷时，听上去声音很大，雷鸣般是指声音的大小，即响度，故B选项正确。答案：B 2. 乐音与噪声区分不清辨析：区分乐音和噪声需从两个角度考虑，从物理学角度看，乐音是发声体做有规则振动时发出的声音；噪声是发声体做无规则振动时发出的声音。从环境保护的角度看，凡是妨碍人们正常休息、学习和工作的声音，以及对人们要听的声音产生干扰作用的声音都属于噪声。因此，有些声音在物理学角度属于乐音，但在环境保护的角度却属于噪声。做这类题目时，应知道日常生活中的噪声是从环境保护的角度来说的。例题 下列叙述中，不属于噪声的是（ ）A. 音乐厅里演奏的“命运”交响曲B. 考试时，附近市场中的高音喇叭不停地播放“命运”交响曲C. 在飞机场，正在降落的喷气式飞机发出的声音D. 用金属片刮锅底的烟尘发出的响声思路导航：从物理学角度看，噪声是指发声体无规则振动发出的声音，因此C、D选项均属于噪声。从环境保护的角度看，B选项尽管也是“命运”交响曲，但若在考试时播放就干扰了考生考试，因此也成为噪声。在音乐厅里演奏的“命运”交响曲就不能说是噪声了。可见，好听的声音在不适当的场合也可能成为噪声。故B、C、D选项中的声音均属于噪声。 答案：A3. 对超声的应用认识不全面辨析：超声的应用非常广泛，超声方向性好，可制成声呐；超声穿透能力强，可制成B超和金属探伤仪；超声“破碎”能力强，利用超声进行医疗器械和食物的杀菌消毒。分析超声应用的题目要注意从以上几个方面入手。例题 下列实例中不是应用超声的是（ ）A. 外科医生不手术就能击碎病人体内的结石B. 商店里对塑料袋进行封口C. 为孕妇做常规检查，观察胎儿的发育情况D. 医生用听诊器听内脏的声音思路导航：A选项是利用超声传递较大的能量，通过振动击碎人体内的结石，使之排出体外；B选项是利用超声使塑料膜之间摩擦生热，从而黏合在一起；C选项是利用“B超”仪产生的超声观察胎儿的发育情况；D选项中听诊器的作用是减少声音的分散，增大声音的响度，而内脏发出的声音是人耳能听到的可闻声，与超声无关。 答案：D提分技巧：1. 列表比较响度、音调和音色。三要素物理意义影响因素响度描述声音的强弱振幅和距离声源的远近音调描述声音的高低振动频率音色描述声音的特色发声体的形状和材料例题 （宿迁）对于下列四幅图，说法正确的是（ ）A. 小明敲鼓时用力越大，鼓发出声音的音调越高B. 广口瓶中的空气越稀薄，人听到手机的响声越大C. 纸板划得越慢，梳齿振动得越慢，发出的音调越低D. 安装“噪声监测仪”可以根治噪声污染命题意图：正确区分声音的音调、响度和音色是解决此题的关键。声音的三个特征是从不同角度描述声音的，且影响它们的因素各不相同思路导航：（1）声音的三个特征分别是：音调、响度、音色；（2）音调的高低由发声体的频率（即振动的快慢）决定；（3）响度由声源的振幅（即振动的幅度）决定；（4）声音的传播需要介质，在不同介质中传播的速度不同，不能在真空中传播。A. 小明敲鼓时用力越大，鼓发出声音的响度越大；故A错误；B. 广口瓶中的空气越稀薄，人听到手机的响声越小；故B错误；C. 纸板划得越慢，梳齿振动得越慢，频率越低，发出的音调越低；故C正确；D. 安装“噪声监测仪”可以监测噪声污染；故D错误。答案：C2. 控制变量法当某一物理量与多个因素有关时，可控制几个因素不变，只探究这一物理量与其中一个因素之间的关系，使问题简单化，这种方法叫做控制变量法。探究影响物体振动频率高低的因素时运用控制变量法。例题 在学习吉他演奏的过程中，小华发现琴弦发出声音的音调高低是受各种因素影响的，他决定对此进行探究。经过和同学们讨论，提出了以下猜想：猜想一：琴弦发出声音的音调高低，可能与琴弦的横截面积有关；猜想二：琴弦发出声音的音调高低，可能与琴弦的长短有关；猜想三：琴弦发出声音的音调高低，可能与琴弦的材料有关。为了验证上述猜想是否正确，他们找到了下表所列九种规格的琴弦。因为音调的高低取决于声源振动的频率，于是借来一个能够测量振动频率的仪器进行实验。编号材料长度/cm横截面积/mm2A铜600.76B铜600.89C铜601.02D铜800.76E铜F铜1000.76G铜801.02H尼龙801.02I尼龙1001.02为了验证猜想一，应选用编号为 、 、 的琴弦进行实验。为了验证猜想二，应选用编号为 、 、 的琴弦进行实验。表中某些材料的规格还没填全，为了验证猜想三，必须知道该项内容。请在表中填上所缺数据。思路导航：本题主要考查音调的决定因素。要验证音调的高低跟哪些因素有关，应采用控制变量法。答案：A B C A D F 80 1.02