“聲音具有能量”的實(shí)驗(yàn)證明

張伯林 朱敏

摘 要：聲音具有能量，可以通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，初中物理教材中安排這方面的實(shí)驗(yàn)，在日常教學(xué)中有些教師也改進(jìn)或者創(chuàng)新這方面的實(shí)驗(yàn)，但在教學(xué)中教師要理性地判斷這些實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性，選擇合理有效的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué).

關(guān)鍵詞：聲音具有能量;聲音滅火;聲波的振幅;共振

中圖分類號：G633.7???? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）24-0028-03

作者簡介：張伯林（1965-），男，山東濟(jì)南人，本科，中學(xué)高級教師，研究方向：教具的自制與創(chuàng)新研究;

朱敏（1978-），女，山東濟(jì)南人，碩士，中學(xué)一級教師，研究方向：探索高效課堂、信息與實(shí)驗(yàn)技術(shù)優(yōu)化課堂.

聲音是否具有能量，各種版本的初中物理教材都是通過實(shí)驗(yàn)加以論證，有的中考物理試題也常涉及到關(guān)于聲音具有能量的實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)的呈現(xiàn)“繁華似錦”，是否都能證明聲音具有能量？

1 實(shí)驗(yàn)例析

通常這類實(shí)驗(yàn)一般是用聲波吹動(dòng)或吹滅蠟燭，下面我們分析幾個(gè)常見的實(shí)驗(yàn)，看看它們能不能證明聲音具有能量.

實(shí)例1 紙筒滅火實(shí)驗(yàn)

（2011年菏澤地區(qū)）很多同學(xué)有過疑問“聲音是否具有能量？它具有的能量與聲音的響度和頻率是否有關(guān)？”某同學(xué)對其中兩個(gè)問題進(jìn)行探究，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示：A為一個(gè)圓筒，它的一端用剪成圓片的挺直的紙（紙的中間剪一圓孔）粘牢，另一端用塑料薄膜包住并繃緊，用橡皮筋扎牢.B為一只點(diǎn)燃的蠟燭.完成表1的內(nèi)容.

為保證每次實(shí)驗(yàn)聲音的頻率相同，你的做法是________.

此試題涉及到的實(shí)驗(yàn)，能否可以證明聲音具有能量？為此筆者重現(xiàn)本實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程完全按題目要求進(jìn)行，為了能看清實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，筆者實(shí)驗(yàn)前在圓筒內(nèi)裝入煙霧.拍打圓筒后面的塑料薄膜，會(huì)看到一個(gè)煙圈從圓筒前面的圓孔飛出，當(dāng)煙圈到達(dá)蠟燭火焰時(shí)，蠟燭火焰出現(xiàn)晃動(dòng)，甚至熄滅.增加圓筒與蠟燭之間的距離再次實(shí)驗(yàn)，觀察到的現(xiàn)象依然是煙圈到達(dá)蠟燭時(shí)，火焰出現(xiàn)晃動(dòng)，并且煙圈到達(dá)火焰的時(shí)刻要遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于在蠟燭處聽到拍打塑料薄膜聲音的時(shí)刻，這就充分證明：煙圈的運(yùn)動(dòng)不是聲音，吹動(dòng)燭焰的不是聲音，而是煙圈.

那么，煙圈又是怎么回事呢？在中央電視臺2016.7.3播出的《加油向未來》節(jié)目中給出了一個(gè)解釋：敲打后部的塑料膜，容器內(nèi)被擠壓的空氣沖出后形成“渦環(huán)”，在運(yùn)動(dòng)過程中能量損失較慢，所以運(yùn)行距離較遠(yuǎn).因此這個(gè)裝置素有“空氣炮”之稱.

將此空氣炮實(shí)驗(yàn)放在課堂上，學(xué)生都能夠積極參與，感到有趣好玩，所以有些教師對此實(shí)驗(yàn)很鐘愛.面對初中階段的學(xué)生，我們?nèi)绾谓忉尨爽F(xiàn)象？從容器噴出的空氣由于具有慣性繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，也就是說將此實(shí)驗(yàn)作為氣體具有慣性的實(shí)驗(yàn)是不是更為貼切？

實(shí)例2 揚(yáng)聲器滅火實(shí)驗(yàn)

人教版八年級物理40頁演示實(shí)驗(yàn)，如圖2所示.

蘇科版八年級物理11頁演示實(shí)驗(yàn)，如圖3所示.

為了證明聲音具有能量，兩個(gè)版本的教材都采用揚(yáng)聲器吹蠟燭的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為：當(dāng)揚(yáng)聲器發(fā)出比較大的聲音時(shí)，放在揚(yáng)聲器前面的蠟燭火焰出現(xiàn)晃動(dòng).以此為證，說明聲波具有能量.

到底是不是聲音導(dǎo)致蠟燭火焰晃動(dòng)？仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，有兩點(diǎn)不容忽視：（1）揚(yáng)聲器在播放打擊樂、重低音的情況下，才有明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象——蠟燭火焰晃動(dòng);（2）蠟燭火焰晃動(dòng)都是向遠(yuǎn)離揚(yáng)聲器的方向運(yùn)動(dòng)，在火焰傾斜的基礎(chǔ)上，還會(huì)看到火焰輕微地抖動(dòng).

為了弄清楚這些現(xiàn)象，筆者先重點(diǎn)介紹一下?lián)P聲器（如圖4所示），揚(yáng)聲器的原理是通電線圈在磁場中受力運(yùn)動(dòng)，當(dāng)線圈流過音頻電流時(shí)，線圈在磁場中受到變化的力帶動(dòng)紙盆振動(dòng)發(fā)聲.紙盆的振動(dòng)距離越大，對低音的表現(xiàn)力就越好，為此揚(yáng)聲器有個(gè)技術(shù)術(shù)語叫“揚(yáng)聲器沖程”（線性沖程）：揚(yáng)聲器音圈的最大行程就叫“沖程”，這個(gè)沖程有多大？直徑6～8英寸的揚(yáng)聲器的最大單向沖程一般在3～6mm，也就是說，揚(yáng)聲器的紙盆最大移動(dòng)距離可達(dá)10mm，造成紙盆大距離移動(dòng)的通常是脈沖形的音頻信號，比如重低音的打擊樂聲音就是這樣的信號.了解到這里不難發(fā)現(xiàn)，其實(shí)這個(gè)實(shí)驗(yàn)與實(shí)例1中的“空氣炮”有類似之處，都是用“膜”推動(dòng)空氣，不同之處在于揚(yáng)聲器的“膜”的振動(dòng)將手動(dòng)改為電動(dòng).

我們可以得出這樣的結(jié)論，揚(yáng)聲器發(fā)出脈沖形成聲音時(shí)，紙盆前后大范圍且快速地移動(dòng)，推動(dòng)紙盆前方的空氣向前運(yùn)動(dòng)，形成一股氣流，在這股氣流的作用下蠟燭火焰出現(xiàn)晃動(dòng)，這樣同時(shí)也解釋燭焰為何單方向遠(yuǎn)離揚(yáng)聲器運(yùn)動(dòng).

有的教師將揚(yáng)聲器吹蠟燭的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，如圖5所示，利用這樣的裝置實(shí)驗(yàn)時(shí)，將手放在瓶口處會(huì)感到一股股氣流噴到手上，這樣的改進(jìn)其實(shí)就是將手動(dòng)空氣炮改成電動(dòng)空氣炮，氣流的噴出實(shí)質(zhì)是紙盆推動(dòng)空氣的結(jié)果.

實(shí)例3 發(fā)令槍滅火實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)器材：田徑比賽時(shí)用的發(fā)令槍，蠟燭，大一些的拋物面反射鏡一對（或小鐵鍋一對），直徑30cm、焦距8cm的拋物面反射鏡，光具座，燭臺，十字夾，試管夾，鐵架臺等.

實(shí)驗(yàn)方法：實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示.

（1）將直徑及焦距相同的兩個(gè)拋物面反射鏡分別固定在鐵架臺上相向放置，間距約60～70cm，間距大小依照拋物面反射鏡或鍋的大小靈活而定.

（2）在兩個(gè)拋物面反射鏡下方放置一個(gè)光具座.

（3）測定拋物面反射鏡的焦距.方法一：應(yīng)用公式求之;方法二：在陽光下借用一把直尺測量.

（4）在兩個(gè)拋物面反射鏡的中間放一支或幾支點(diǎn)著的蠟燭，在左側(cè)反射鏡的焦點(diǎn)處也放一支點(diǎn)著的蠟燭.

（5）在右側(cè)的拋物面反射鏡的焦點(diǎn)處打響發(fā)令槍，就可以發(fā)現(xiàn)左側(cè)反射鏡焦點(diǎn)處的蠟燭熄滅，而兩拋物面反射鏡中間的其他蠟燭未被“吹滅”.

實(shí)驗(yàn)原理：拋物面反射鏡起到將聲音集中到一點(diǎn)（焦點(diǎn)）的作用，在聲音集中的地方點(diǎn)燃一支蠟燭，隨著“啪”的一聲槍響，聲音在兩個(gè)拋物面反射鏡之間傳播—反射—傳播—反射—會(huì)聚，通過左側(cè)拋物面反射鏡焦點(diǎn)處聲波最強(qiáng)，能量最大，空氣的振動(dòng)集中于那一點(diǎn)，蠟燭被“吹滅”.而中間的其他蠟燭未被“吹滅”的原因是它們所處位置的聲波強(qiáng)度不如焦點(diǎn)處能量大.

發(fā)令槍熄滅蠟燭，能不能說明聲音具有能量？筆者先介紹一下“激波”的有關(guān)知識.

當(dāng)傳播介質(zhì)受到強(qiáng)擾動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一種不連續(xù)峰在介質(zhì)中以超聲速傳播，這個(gè)峰導(dǎo)致介質(zhì)的壓強(qiáng)、溫度、密度等物理性質(zhì)跳躍式改變，這種波就叫激波.一般說來， 產(chǎn)生激波有兩種方法：一種方法是利用火藥的爆炸，比如煙火爆竹的爆炸可以產(chǎn)生激波;另外一種方法是利用物體的高速運(yùn)動(dòng)，例如發(fā)射出去的炮彈和超聲速飛行的飛機(jī).

在自然界中，所有的爆發(fā)情況都伴有激波，激波總是在物質(zhì)膨脹、速度變得大于局域聲速時(shí)發(fā)生.以下是幾個(gè)產(chǎn)生激波的實(shí)例（如圖7所示）.

由此我們可以斷定，在發(fā)令槍熄滅蠟燭的實(shí)驗(yàn)中，發(fā)令槍也會(huì)產(chǎn)生激波，激波在傳播過程中遇到兩個(gè)鐵鍋被反射，并在蠟燭處會(huì)聚，較為強(qiáng)大的激波導(dǎo)致蠟燭熄滅.那么激波是否屬于聲波？

先比較激波與聲波的區(qū)別.（1）傳播速度：激波的速度大于未擾動(dòng)介質(zhì)的音速;（2）狀態(tài)參數(shù)變化形式：激波狀態(tài)變化突躍，聲波狀態(tài)變化接近于零;（3）介質(zhì)移動(dòng)：激波介質(zhì)有位移，聲波介質(zhì)只在平衡位置來回振動(dòng);

（4）波速影響因素：激波跟沖擊波的強(qiáng)度有關(guān)，聲波僅與介質(zhì)狀態(tài)參數(shù)有關(guān);（5）周期性： 激波無周期，聲波有周期性;（6）熱力學(xué)特征：激波熵增大，聲波等熵.

不難看出，激波跟聲波存在較大的區(qū)別，可以肯定的是，激波不是傳統(tǒng)意義上的聲波.發(fā)令槍滅火，是因?yàn)閺棜ぶ械幕鹚幈?，產(chǎn)生激波，推動(dòng)空氣快速移動(dòng)，從而吹滅蠟燭.

2 單純依靠聲音能不能滅火

單純靠發(fā)聲體發(fā)出的聲音能不能“滅火”？多大的聲音能夠滅火？將蠟燭火焰置于“聲音”中，火焰的晃動(dòng)必然是隨波而動(dòng)，晃動(dòng)幅度的大小是由聲波的振幅決定，有人會(huì)問，當(dāng)聲波的振幅足夠大時(shí)，是不是就可以熄滅蠟燭？讓我們先分析聲波的振幅有多大.

根據(jù)人們的經(jīng)驗(yàn)，50Hz的聲波滅火效果比較好，當(dāng)聲音大到120dB（實(shí)際吹蠟燭的實(shí)驗(yàn)達(dá)不到這個(gè)值）已經(jīng)達(dá)到痛覺域，根據(jù)LP=20lg（pm/p0），式中聽覺域：p0=2×10-5Pa，聲壓級：LP=120dB，可以求得有效聲壓：pm=20Pa.

聲音在空氣中傳播時(shí)，其振幅可以根據(jù)下面的公式計(jì)算：pm=2πfρvA，式中，取聲音的頻率f=50Hz，空氣的密度=1.29kg/m3，聲音在空氣中的傳播速度v=340m/s，計(jì)算可得介質(zhì)最大振幅為A=0.15mm，最大位移為0.3mm.可以想象，將豎直方向的蠟燭火焰置于水平傳播的聲音之中時(shí)，我們只能看到它的輕微抖動(dòng)，但不會(huì)因?yàn)檩p微抖動(dòng)而滅掉.

繼續(xù)增大聲音的響度，50Hz的聲音增大到140dB會(huì)怎樣？經(jīng)過計(jì)算可知，聲音振幅可達(dá)1.5mm，介質(zhì)最大位移3mm，此時(shí)火焰抖動(dòng)現(xiàn)象會(huì)明顯很多，但抖動(dòng)范圍不超過蠟燭火焰的寬度，火焰也不會(huì)熄滅.但這樣的聲音，人耳已經(jīng)無法承受，通常聲音吹蠟燭實(shí)驗(yàn)不會(huì)在這樣的聲音環(huán)境中進(jìn)行.

綜上所述，在上面所涉及到的聲音吹蠟燭實(shí)驗(yàn)中，火焰“抖動(dòng)”反映聲音的振動(dòng);蠟燭熄滅的原因不是由于介質(zhì)（空氣）的往復(fù)振動(dòng)所致（介質(zhì)振幅太?。?，而是由于空氣炮薄膜、揚(yáng)聲器紙盆等發(fā)聲體的爆發(fā)式運(yùn)動(dòng)擠壓空氣，形成遠(yuǎn)離發(fā)聲體運(yùn)動(dòng)的氣流，才吹滅蠟燭.實(shí)驗(yàn)中教師們刻意用聲音吹滅蠟燭來證明聲音具有能量并不科學(xué)，用“火焰的輕微抖動(dòng)”來證明反而更合理.

3 聲音能量的證明實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

用什么實(shí)驗(yàn)可以證明聲波能量的存在呢？

最簡單的現(xiàn)象就是，教師在講課時(shí)同學(xué)們能夠聽到聲音，其原因就是當(dāng)聲波傳到耳膜時(shí)，聲波因?yàn)榫哂心芰慷苿?dòng)耳膜發(fā)生振動(dòng).但這種的現(xiàn)象似乎太平淡無奇，如何能通過實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生“看到”聲波的能量？增大聲波的振幅就可以實(shí)現(xiàn)，共振無疑是個(gè)增大振幅的好辦法.

音叉共振實(shí)驗(yàn)：人教版教材曾經(jīng)出現(xiàn)過，敲擊右邊的音叉，左邊的音叉也能振動(dòng)發(fā)聲，并將小球彈開，這無疑是聲波具有能量的較好證明，但這個(gè)實(shí)驗(yàn)對實(shí)驗(yàn)條件要求較高，比如共鳴箱共鳴頻率的一致性、小球跟音叉之間的距離等要求較高，成功的難度較大.

量筒共鳴實(shí)驗(yàn)：此實(shí)驗(yàn)曾經(jīng)出現(xiàn)在中央電視臺《是真的嗎：用聲音也能滅火？》，如圖8所示，實(shí)驗(yàn)中用到兩個(gè)50mL的量筒，一臺帶吹氣功能的吸塵器.當(dāng)用吸塵器吹左側(cè)的量筒發(fā)聲時(shí)，放置在右側(cè)量筒口的蠟燭熄滅，其原因是右邊量筒中的空氣發(fā)生共振產(chǎn)生駐波，駐波的波腹就在瓶口處，因?yàn)楣舱?，波腹不斷疊加，振動(dòng)幅度不斷加大使得燭焰散熱加快，直到熄滅.此實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯而有趣，但可能因?yàn)橛械膶W(xué)校沒有配備這樣的吸塵器，給實(shí)驗(yàn)帶來困難.

共振實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)：量筒共鳴實(shí)驗(yàn)可以改進(jìn)，用兩個(gè)相同的飲料瓶子代替兩個(gè)量筒，用功率稍大（比如1500W）的電吹風(fēng)代替吸塵器，電吹風(fēng)的功率大只是為了取得大一點(diǎn)的風(fēng)力，實(shí)驗(yàn)中不需要熱風(fēng)，最好是具有冷風(fēng)檔位的電吹風(fēng)，這樣就可以將證明聲波具有能量的實(shí)驗(yàn)輕松帶入課堂.

物理是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，如果教師只是做到將大量的實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)出來，這就是成功教學(xué)嗎？我們不能只當(dāng)實(shí)驗(yàn)的搬運(yùn)工.當(dāng)一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)誕生時(shí)，作為一線科學(xué)教師，應(yīng)富有思辨精神和質(zhì)疑品格，再現(xiàn)探究實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性與科學(xué)性，查找實(shí)驗(yàn)中存在的不足，敢于質(zhì)疑、探索，格物致知，盡可能地避免向?qū)W生提供錯(cuò)誤的科學(xué)認(rèn)知.同樣，這樣的品質(zhì)也會(huì)影響、熏陶學(xué)生，使其在物理中學(xué)會(huì)質(zhì)疑與探索，收獲不一樣的發(fā)現(xiàn)與驚喜，這也是科學(xué)進(jìn)階的魅力，是物理核心素養(yǎng)的養(yǎng)成.

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（收稿日期：2021-07-25）