一道初中物理題引發(fā)的思考

摘 要：本文從一道初中物理題出發(fā)，研究了影響聲速的因素，并從微觀分子角度解釋了聲速與不同狀態(tài)物質(zhì)之間的關(guān)系；利用聲速公式分析了聲速與溫度之間的定量關(guān)系；通過(guò)音素音標(biāo)解釋了倒放聲音的原理。

關(guān)鍵詞：聲速；聲速公式；音素；倒放音頻

1 問(wèn)題由來(lái)

教師在蘇科版物理八年級(jí)上冊(cè)的教學(xué)中經(jīng)常會(huì)遇到類似于下面這樣的題目。

例題 請(qǐng)你想象一下，如果聲音在空氣中傳播的速度變?yōu)?.1m/s，小華看到小李正在前方不遠(yuǎn)處等他，于是一邊奔跑，一邊對(duì)著小李大聲喊道：“我來(lái)也?！贝藭r(shí)發(fā)生的情況是（" ）。

A. 和正常時(shí)一樣

B. 小華先追上小李，然后小李才聽(tīng)到“也來(lái)我”

C. 小李什么也聽(tīng)不到

D. 小華先追上小李，然后小李才聽(tīng)到“我來(lái)也”

這個(gè)題目的參考答案是B，對(duì)此，筆者有兩點(diǎn)疑問(wèn)：（1）聲速在什么條件下可以變?yōu)?.1m/s？（2）若假定能變?yōu)榇寺曀?，那么“我?lái)也”真的可以轉(zhuǎn)化為“也來(lái)我”嗎？

本著實(shí)事求是的態(tài)度，筆者對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了研究。

2 聲速與溫度的關(guān)系

2.1 聲音的傳播方式

聲音的傳播類似于水波和彈簧中的疏密波，當(dāng)

聲音在介

質(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)中的分子在平衡位置附近反復(fù)振動(dòng)（見(jiàn)圖1），從而在介質(zhì)中形成疏密相間的波動(dòng)，向遠(yuǎn)處傳播，最后進(jìn)入人耳被人聽(tīng)到。［1］

正常均勻介質(zhì)中的分子分布聲波在均勻介質(zhì)中傳播時(shí)介質(zhì)中的分子分布

2.2 聲速

聲音在任何介質(zhì)中傳播都是需要時(shí)間的，也就是說(shuō)聲音的傳播是有速度的。［2］聲速主要跟介質(zhì)種類、溫度、壓強(qiáng)等因素有關(guān)。［3］一般情況下，聲音在固體中傳播的速度最快，在液體中次之，在氣體中最慢。例如，通常情況下，聲音在空氣中傳播的速度約為340m/s，在水中傳播的速度約為1500m/s，在鋼鐵中傳播的速度可達(dá)5200m/s。這是因?yàn)槁曇舻膫鞑ニ俣雀橘|(zhì)的反抗平衡力有關(guān)，反抗平衡力就是當(dāng)物質(zhì)的某個(gè)分子偏離其平衡位置時(shí)，其周圍的分子為把它“擠”回到平衡位置上所施加的力。反抗平衡力越大，聲音傳播得就越快。［4］固體分子的反抗平衡力一般大于液體分子，氣體分子的反抗平衡力最小。金剛石分子的反抗平衡力非常大，所以聲音在金剛石中傳播的速度是目前已知的最高聲速，其可以達(dá)到18000m/s。

在液體和固體中，聲速受溫度和壓強(qiáng)變化的影響相對(duì)較小，因此在同一固體或液體介質(zhì)中，聲速基本上是一個(gè)常量。而在氣體中，聲速受壓強(qiáng)和溫度變化的影響相對(duì)較大，且溫度越高，聲速越大。這點(diǎn)并不難理解，當(dāng)氣體溫度升高時(shí)，氣體分子的平均動(dòng)能變大，分子運(yùn)動(dòng)得更快，這也是夏天聲音傳播得比冬天要快的原因。

該公式表明，空氣溫度越高，聲速越快；反之，空氣溫度越低，聲速越慢；當(dāng)溫度t＝0℃時(shí)，空氣中的聲速是332.55m/s。利用上述聲速公式我們可以計(jì)算出，要讓聲速為0.1m/s，空氣溫度大約為2.5×10－5K，而目前我國(guó)中科院研發(fā)的無(wú)液氦稀釋制冷機(jī)能夠達(dá)到的最低溫度只有0.01K，這個(gè)溫度也是目前世界上能夠?qū)崿F(xiàn)的最低溫度。此時(shí)根據(jù)公式不難算出，在0.01K的極低溫度下，空氣中聲速最小可達(dá)2m/s。第一點(diǎn)疑問(wèn)得以解答。

3 聲音倒放原理

如果聲音的傳播速度真的能夠變?yōu)?.1m/s，而人行走的速度約為1.4m/s，奔跑的速度約為5m/s，此時(shí)聲速小于小華跑向小李的速度，所以一定是小華先追上小李，小李再聽(tīng)到小華的聲音。當(dāng)小華追上小李時(shí)，其發(fā)出的聲音才陸陸續(xù)續(xù)到達(dá)小李處。此時(shí)，小李在終點(diǎn)處先聽(tīng)到小華后發(fā)出的聲音，后聽(tīng)到小華先發(fā)出的聲音，所以原題給出的答案是小李聽(tīng)到“也來(lái)我”。但是仔細(xì)分析一下，可知這些聲音并不是以字為單位傳播的，而是以一個(gè)個(gè)音素（語(yǔ)音的最小單位）為單位傳到終點(diǎn)（小李處）的（見(jiàn)圖2）.

圖2是小華剛到達(dá)終點(diǎn)時(shí)，其發(fā)出聲音的音素與音素所對(duì)應(yīng)的國(guó)際音標(biāo)所在位置的示意圖。在終點(diǎn)的兩人陸續(xù)聽(tīng)到的聲音是“［e］、［j］、［i］、［ɑ］、［l］、［o］、［w］”?？紤]到聽(tīng)到的音調(diào)也會(huì)發(fā)生變化（二四音調(diào)互換、一三音調(diào)不變），此時(shí)聽(tīng)到的聲音應(yīng)是“［ě］、［j］、［i］、［ɑ］、［l］、［ǒ］、［w］”。將音素組合成類似漢字發(fā)音的音節(jié)，［ě］音似“誒”，“［j］、［i］、［à］”音似“亞”，“［l］、［ǒ］、［w］”音似“摟”，因此小華和小李最終聽(tīng)到的聲音類似“誒、亞、摟”。

這個(gè)結(jié)論需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。然而，在現(xiàn)實(shí)生活中，我們想通過(guò)超聲速奔跑來(lái)聽(tīng)到這樣的聲音是不可能的。那么，我們?cè)撛趺醋瞿?？其?shí)小華他們?cè)诮K點(diǎn)聽(tīng)到的聲音相當(dāng)于將小華發(fā)出的原聲進(jìn)行了倒放?，F(xiàn)在的很多軟件都有音、視頻倒放的功能，我們可以通過(guò)這些軟件來(lái)感受下倒放帶來(lái)的樂(lè)趣。

理解了倒放的原理后，我們就可以在不借助軟件的條件下，推斷出各種原聲的倒放音頻效果。例如，將原聲“我喜歡物理”進(jìn)行倒放，我們將會(huì)聽(tīng)到什么呢？首先我們拆解這句話的每一個(gè)音素音標(biāo)并加上音調(diào)，“我喜歡物理”的音素是“［w］、［ǒ］、［］、［ǐ］、［h］、［u］、［ā］、［n］、［wù］、［l］、［ǐ］”，將其倒放并將音素組合成類似漢字發(fā)音的音節(jié)，則有音［ǐ］似“倚”，音 “［l］、［wú］”似“盧”，音“［n］、［?。荨彼啤澳恰保簟埃踰］、［h］、［ǐ］”似“為”，音“［］、［ǒ］、［w］”似“首”，合在一起聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)像“一路難回首”，真的是其樂(lè)無(wú)窮。

4 結(jié)論

筆者從一道物理題中產(chǎn)生的兩點(diǎn)疑惑出發(fā)，本著實(shí)事求是的態(tài)度，研究了影響聲速的因素，從微觀分子振動(dòng)角度闡述了聲音如何在不同介質(zhì)中傳播；從分子反抗平衡力的角度解釋了聲速與不同狀態(tài)物質(zhì)之間的關(guān)系；利用修正后的牛頓聲速公式分析了低溫狀態(tài)下聲速與溫度之間的定量關(guān)系；通過(guò)音素音標(biāo)解釋了倒放聲音的原理。

隨著科技的不斷發(fā)展和進(jìn)步，各類人工智能產(chǎn)品逐漸進(jìn)入我們的家庭，影響著我們的生活。語(yǔ)音識(shí)別作為人工智能的重要組成部分，其實(shí)現(xiàn)過(guò)程實(shí)際上是先將聲音分解成更小的幀，提取出MFCC（梅爾頻率倒譜系數(shù)）特征，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)中的聲學(xué)模型將這些語(yǔ)音特征對(duì)應(yīng)到音素，進(jìn)而組合成單詞，最終形成句子。教師可以通過(guò)文中的示例，幫助學(xué)生更好地理解語(yǔ)音識(shí)別的基本原理。同時(shí)，在編制題目時(shí)，出題者應(yīng)保持嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，在確保題目具有趣味性的同時(shí)，避免出現(xiàn)科學(xué)性錯(cuò)誤。

參考文獻(xiàn)

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