2021年初中物理競賽及自主招生專題講義第五講聲音第一節(jié)聲音的產(chǎn)生與傳播沖擊波含解析

1、第五講聲音第一節(jié) 聲音的產(chǎn)生與傳播 沖擊波一、聲音的產(chǎn)生與傳播（一）聲音的產(chǎn)生在日常生活中，我們周圍充斥著各種各樣的聲音。聲音是由物體振動產(chǎn)生的，撥動的琴弦、被敲擊的鼓面、發(fā)聲的音叉等，都因振動而發(fā)聲。固體、液體、氣體都會因振動而發(fā)聲。當(dāng)然，正在發(fā)聲的物體也一定在振動。（二）聲音的傳播1聲波聲音的傳播需要介質(zhì)，聲音可以在固體、液體、氣體中傳播，真空不能傳播聲音。我們把發(fā)聲體的振動在空氣或其他介質(zhì)中的傳播叫做聲波。聲波是一種疏密波，在傳播路徑上，介質(zhì)中密部與疏部交替出現(xiàn)，但是介質(zhì)并不隨著聲音的傳播而發(fā)生移動，如圖1.1所示。在均勻介質(zhì)中，聲音從聲源處向四面八方傳播，若介質(zhì)靜止不動，則聲音以球形波

2、的形式向空間各個方向傳播，如圖1.2所示。聲音的傳播實(shí)際上也是能量的傳播，聲源在某瞬時發(fā)出的能量以球面形式向遠(yuǎn)處傳播，這些能量均勻分布在球面上。當(dāng)聲音傳播距離為時，球面表面積為，因此單位面積上分布的能量為?？芍獑挝磺蛎婷娣e上聲音的能量與傳播距離的平方成反比，因此離聲源越遠(yuǎn)，感覺聲音越弱。2聲速聲音在單位時間內(nèi)傳播的距離叫做聲速，公式為，單位為（米/秒）。聲波在不同介質(zhì)中的傳播速度不同，如表1.1所示。表1.1 聲波在不同介質(zhì)中的傳播速度介質(zhì)速度/與空氣中聲速的比較水15004.4倍木材（松樹）33009.7倍鐵、玻璃500014.7倍此處所指空氣中的聲速是聲音在15空氣中的速度，其數(shù)值為。聲音

3、在空氣中的傳播速度與溫度有關(guān)，溫度低，聲速小。一般情況下，固體的傳聲效果比液體的傳聲效果好，液體的傳聲效果比氣體的傳聲效果好。當(dāng)聲音從聲源處分別沿著兩種不同介質(zhì)傳入人耳時，由于不同介質(zhì)傳聲速度不同，因此到達(dá)人耳的時間略有不同，當(dāng)時間差大于人耳的分辨時間時，人耳就可以分辨出這兩個聲音，從而聽到兩次聲音。例1 （上海第9屆大同杯復(fù)賽）聲音在鋼鐵中的傳播速度為，在空氣中的傳播速度為。一人用石塊敲擊長鐵管的一端，另一人在鐵管的另一端用耳貼著管口傾聽，可以先后聽到兩次敲鐵管的聲音。（1）如果這兩次敲擊聲的時間間隔為，求這根鐵管的長度。（2）如果兩次聲音到達(dá)人的耳朵的時間間隔大于（或等于），人耳就能夠把這

4、兩次聲音分辨開，求要想聽到兩次敲擊聲，人耳與敲擊處的距離。分析與解（1）設(shè)鐵管長為，則聲音在空氣中傳播到鐵管另一端所需時間，在鐵管中傳播到鐵管另一端所需時間，由題意得，代入數(shù)據(jù)解得。（2）若要聽到兩次敲擊聲，則需滿足，解得，因此至少離敲擊處。例2（上海第29屆大同杯復(fù)賽）一輛汽車以的速度通過減速帶，司機(jī)利用擱置在儀表盤上的車載計(jì)時儀記錄汽車前輪和后輪與減速帶撞擊發(fā)聲的時間間隔來測量聲速。車載計(jì)時儀位于前輪軸的正上方，在前輪通過減速帶時開始計(jì)時，在時第一次接收到聲音信號，在時第二次接收到聲音信號。已知汽車前、后輪軸之間的距離，求聲音在空氣中傳播的速度（不考慮除空氣外其他介質(zhì)對聲音傳播的影響，結(jié)果

5、保留到小數(shù)點(diǎn)后兩位）。分析與解設(shè)車載計(jì)時儀距離地面高度為，隔離帶位置在點(diǎn)，如圖1.3所示。當(dāng)車載計(jì)時儀經(jīng)過點(diǎn)正上方的點(diǎn)（車輪第一次撞擊隔離帶）時開始計(jì)時，經(jīng)過時間車載計(jì)時儀運(yùn)動到點(diǎn)，經(jīng)過時間車載計(jì)時儀運(yùn)動到點(diǎn)，則，由圖中幾何關(guān)系得，兩式相減得即解得代入數(shù)據(jù)得3回聲與超聲波測速聲波在傳播過程中遇到障礙物時，一部分被反射回來的現(xiàn)象叫做回聲。技術(shù)上經(jīng)常利用超聲波反射現(xiàn)象來進(jìn)行距離測定。例3（第4屆全國初中應(yīng)用物理知識競賽）火車在進(jìn)入隧道前必須鳴笛。若火車速度為，聲音在空氣中的傳播速度是，司機(jī)在鳴笛后時聽到自隧道口處的山崖反射的回聲，則鳴笛時火車到隧道口的距離是_。分析與解 對回聲問題，要畫出物體運(yùn)動

6、和聲音傳播反射的示意圖，找出等量關(guān)系列方程求解。如圖1.4所示，設(shè)火車在處發(fā)出鳴笛聲，山崖在處，火車行駛至處就聽到山崖反射的鳴笛聲?；疖噺男旭偟教幗?jīng)歷的時間為，之間的距離為，空氣中的聲速，火車速度，則有，解得。例4 為了監(jiān)督司機(jī)遵守限速規(guī)定，交管部門在公路上安裝了固定測速儀。如圖1.5所示，汽車向放置在道路中間的測速儀勻速駛來，測速儀向汽車發(fā)出兩次短促的超聲波信號。第一次發(fā)出信號到測速儀接收到經(jīng)汽車反射回來的信號用時，第二次發(fā)出信號到測速儀接收到經(jīng)汽車反射回來的信號用時，若發(fā)出兩次信號的時間間隔是，超聲波的速度，則（ ）。a汽車接收到第一次信號時，距測速儀b汽車接收到第一次信號時，距測速儀c汽

7、車的速度是d汽車的速度是分析與理解汽車接收到第一次信號時，汽車距測速儀汽車接收到第二次信號時，汽車距測速儀因此汽車在兩次信號的間隔時間行駛了設(shè)第一次信號剛發(fā)出時為時刻，則汽車接收到第一次信號的時間為，由于發(fā)出兩次信號的時間間隔是，第二次信號發(fā)出時的時刻為，汽車接收到第二次信號的時間為。因此，這共用時所以汽車的速度故選c。點(diǎn)評 對速度公式的應(yīng)用和如何確定汽車運(yùn)動的時間是本題的難點(diǎn)。兩次信號的時間間隔雖然是，但汽車在接收到兩次信號時通過的路程所對應(yīng)的時間不是。要從第一次接收到超聲波的信號開始計(jì)時，到第二次接收到超聲波的信號結(jié)束，由此來確定汽車運(yùn)動的時間。確定通過的路程與通過這段路程所用的時間是解決

8、本題的關(guān)鍵。二、沖擊波當(dāng)介質(zhì)靜止而聲源以某一速度前進(jìn)時，聲源在某點(diǎn)發(fā)出的聲音仍以該點(diǎn)為球心，以球面波的形式均勻向外傳播，但是不同時刻發(fā)出的球面波球心位置不同，圖1.6（a）（c）分別反映了飛機(jī)以三種不同速度在空中（不考慮空氣的流動）水平飛行時，產(chǎn)生的聲波的情況。圖中一系列圓表示聲波的傳播情況，點(diǎn)表示飛機(jī)的位置。若已知聲音在空氣中的傳播速度為，則我們可以確定三種情況下飛機(jī)的飛行速度。方法如下：當(dāng)飛機(jī)運(yùn)動到某半徑為的圓的圓心時，在其周圍激發(fā)起聲波，聲波從圓心運(yùn)動和飛機(jī)從圓心運(yùn)動到點(diǎn)所用的時間相同。設(shè)點(diǎn)與該圓圓心距離為，則有，得，和的比例關(guān)系可由圖1.6確定。因此，從圖1.6可以看出，圖（a）飛機(jī)速

9、度小于聲速，圖（b）飛機(jī)速度等于聲速，圖（c）飛機(jī)速度大于聲速。對于圖（c）中的情況，飛機(jī)（聲源）速度大于聲速，聲源發(fā)出的聲音只能在聲源后面?zhèn)鞑ィ热绯羲亠w機(jī)發(fā)出的裂空聲、子彈飛過時的嘯聲等，就是這種聲波。這種波叫做沖擊波，也叫艏波。下面簡述波的特點(diǎn)。如圖1.7所示，若聲速為，聲源以速度勻速前進(jìn)，則聲源形成的波為沖擊波，聲波從圓心運(yùn)動距離和飛機(jī)從圓心運(yùn)動距離到達(dá)點(diǎn)所用的時間相同，則有，因此有。由此可見，所有球面波的切線共線，圖中角為定值。聲波在紙面內(nèi)的傳播方向垂直于圖1.7中切線，向外。例5子彈在距人頭頂正上方高的水平線上從很遠(yuǎn)處以速度水平飛過，已知聲速，問：（1）當(dāng)人剛聽到子彈的呼嘯聲時，

10、子彈離人多遠(yuǎn)？（2）當(dāng)人聽到子彈呼嘯聲從頭頂正上方傳來時，子彈離人多遠(yuǎn)？分析與理解（1）如圖1.8（a）所示，人在點(diǎn)剛聽到的子彈呼嘯聲是子彈在點(diǎn)發(fā)出的，當(dāng)人剛聽到子彈呼嘯聲時，子彈已經(jīng)運(yùn)動到點(diǎn)，則有，由相似三角形關(guān)系，得，故。（2）如圖1.8（b）所示，人聽到的子彈從頭頂正上方傳來的呼嘯聲，由子彈運(yùn)動到人頭頂正上方點(diǎn)時發(fā)出。假設(shè)人剛聽到該聲音時，子彈已經(jīng)運(yùn)動到點(diǎn)，則，有練習(xí)題1雷雨天，小明在看到閃電后又經(jīng)過聽到雷聲，小明快速計(jì)算得到他離閃電發(fā)生處的距離約為，則關(guān)于小明的計(jì)算方法，下列說法正確的是（ ）。a小明的方法沒有理論依據(jù)，是完全錯誤、不可信的b由于空氣中的聲速約為，因此小明的估算是科學(xué)合

11、理的c利用小明的估算方法，潛水員只需用從看到閃光到聽到爆炸聲所用的時間除以3，同樣可以估算深水炸彈爆炸處離他的距離d小明的估算沒有考慮光的傳播也需要時間，因此誤差非常大2.聲音在金屬中的傳播速度比在空氣中的大。已知聲音在空氣中傳播距離和在某金屬管道內(nèi)傳播同樣距離所需時間差為，且已知聲音在空氣中的傳播速度為，則聲音在該金屬管道內(nèi)的傳播速度是（ ）。abcd3.甲、乙兩人站在一堵光滑的墻壁前，兩人相距，且距離墻壁均為，如圖1.9所示，甲開了一槍后，乙先后聽到兩聲槍響的時間間隔為（已知聲音的傳播速度為）（ ）。abcd4圖1.10是一張蜻蜓點(diǎn)水的俯視圖，該圖記錄了蜻蜓連續(xù)3次點(diǎn)水過程中激起的波紋，其

12、形狀如圖所示。由圖可以得出（ ）。a蜻蜓的飛行方向向左b蜻蜓的飛行方向向右c蜻蜓飛行速度比水波傳播速度大d蜻蜓飛行速度比水波傳播速度小52015年1月，科學(xué)家在南極洲發(fā)現(xiàn)一個隕石凹坑，形狀如圓形平底鍋，如圖1.11所示。小明在圓心點(diǎn)大喊一聲，經(jīng)過聽到回聲。設(shè)空氣中的聲速為，則圓形凹坑的直徑為_。6.在無風(fēng)的狀況下，一列火車以恒定速度在平直軌道上運(yùn)動，當(dāng)司機(jī)鳴笛時，靜止在地面上的觀察者感到汽笛聲沿火車前進(jìn)方向的傳播速度_（填“大于”“等于”或“小于”）相反方向的傳播速度；在有風(fēng)的狀況下，司機(jī)在靜止的火車上鳴笛，靜止在地面上的觀察者感到汽笛聲沿風(fēng)前進(jìn)方向上的傳播速度_（填“大于”“等于”或“小于”

13、）相反方向的傳播速度。7.圖1.12（a）所示為代號“黑鳥sr-71”的戰(zhàn)略偵察機(jī)。該偵察機(jī)以兩倍聲速在距離地面高度為的高空水平飛行，某人站在地面上點(diǎn)處，當(dāng)偵察機(jī)經(jīng)過點(diǎn)時，其正下方恰好是點(diǎn)，如圖1.12（b）所示。人最先聽到的轟鳴聲是偵察機(jī)飛到距離點(diǎn)_處所發(fā)出的，當(dāng)人聽到該聲音時，偵察機(jī)與點(diǎn)的距離為_。8蜻蜓點(diǎn)水是指雌蜻蜓將卵直接產(chǎn)人水中。圖1.13所示為小華觀察到的蜻蜓貼著水面沿直線飛行，連續(xù)三次“點(diǎn)水”后水面振動的波紋圖（每次點(diǎn)水只形成一個波紋，時間忽略不計(jì)），三個波紋正好內(nèi)切于坐標(biāo)原點(diǎn)。由圖可知：（1）蜻蜓的飛行方向是沿軸_，其平均速度_（填“大于”“等于”或“小于”）水波的傳播速度。（

14、2）小華觀察的蜻蜓由第一次點(diǎn)水到第三次點(diǎn)水歷時，則蜻蜓飛行的平均速度為_。9假定有前后兩次聲音傳到人的耳朵里，如果這兩次聲音到達(dá)人的耳朵的時間間隔大于（或等于），人耳就能夠把這兩次聲音分辨開，也就是說，如果兩次聲音傳到人耳的時間間隔不足，人耳就只能聽到一次聲音。某中學(xué)八年級課外活動小組為了體驗(yàn)聲音在不同介質(zhì)中的傳播速度不同的物理現(xiàn)象，他們請一位同學(xué)在輸送水的管道（充滿水）上敲擊一下，使鐵管發(fā)出清脆的聲音，其余同學(xué)沿鐵管分別在不同位置用耳朵貼近鐵管聽聲。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，同學(xué)說自己只聽到一次響聲；同學(xué)說自己聽到兩次響聲；同學(xué)說自己聽到三次響聲。已知聲音在空氣中的傳播速度，在水中的傳播速度，在鋼鐵中的傳

15、播速度。請你通過計(jì)算說明：在鐵管上某處敲響一次，三位同學(xué)的位置到達(dá)敲擊點(diǎn)的距離各在什么范圍內(nèi)（寫出計(jì)算過程和對結(jié)論的分析過程）。10小華在假期探望外祖母，他乘坐火車時發(fā)現(xiàn)，每經(jīng)過鐵軌接頭處車身都要震動一次。他還發(fā)現(xiàn)，火車進(jìn)山洞前一瞬間要鳴笛一次。小華恰好坐在車尾，從聽到鳴笛聲到車尾出洞，小華共數(shù)出84次車身震動，所用時間是。若車身總長為，每節(jié)鐵軌長為，山洞的長度是多少？當(dāng)時火車的速度是多少？（假設(shè)火車一直做勻速直線運(yùn)動.聲音在空氣中的傳播速度是。）11觀察員距爆炸點(diǎn)，爆炸后聽到爆炸直接傳來的聲音和云層反射的聲音。已知兩次爆炸聲間隔，聲速為，求云層離地面的高度。12一架超音速飛機(jī)在高空沿水平方向

16、飛行，當(dāng)飛機(jī)飛過某人頭頂上方后，這人才剛好聽到飛機(jī)的轟鳴聲，此時飛機(jī)已飛到此人前方處，已知聲音的傳播速度問：（1）這架飛機(jī)的飛行高度是多少？（2）這架飛機(jī)的飛行速度是聲速的幾倍？參考答案1b。閃電傳播的時間可以忽略，d項(xiàng)錯誤。聲音在空氣中的傳播速度為，約等于，則內(nèi)聲音傳播的距離為，因此小明的估測是正確的。在其他介質(zhì)中，聲速不能近似為，c項(xiàng)錯誤。2a。設(shè)聲音在金屬中的傳播速度為，則兩次聽到聲音的時間間隔，解得。3b。聲音從甲處沿直線直接傳播到乙處用時，聲音從甲處經(jīng)墻壁反射后傳播到乙處用時，所以聽到兩次槍響的時間間隔為。4bc。由圖1.10可知，左邊的波紋半徑較大，說明左邊的波紋先形成，右邊的波紋

17、后形成，即蜻蜓自左向右飛行。又因?yàn)榈谌吸c(diǎn)水形成的波紋及其圓心在第一次點(diǎn)水形成的波紋的外側(cè)，可見蜻蜓飛行速度大于水波速度。 5.?；芈晜鞑ネㄟ^的路程恰等于圓的半徑的2倍，即直徑。6等于，大于。我們平常所說的聲速，實(shí)際上是聲音相對于介質(zhì)的速度，聲速與聲源的速度無關(guān)。無風(fēng)時，空氣相對地面靜止，聲音在空氣中向各個方向傳播的對地速度相同。有風(fēng)時，順風(fēng)方向聲音的對地速度等于聲音在空氣中的速度加上風(fēng)速，逆風(fēng)方向聲音的對地速度等于聲音在空氣中的速度減去風(fēng)速。 7，。人在點(diǎn)最先聽到的聲音由圖1.14中的點(diǎn)發(fā)出，人聽到該聲音時，飛機(jī)已經(jīng)到位置，與垂直。由于飛機(jī)的速度是聲速的2倍，則可知，即，由幾何關(guān)系可求得，。

18、8（1）負(fù)方向，等于；（2）4.5。沿著軸負(fù)方向，波紋半徑越來越小，說明蜻沿軸負(fù)方向飛行。由于各圓均內(nèi)切于同一點(diǎn)，可知蜻蜓點(diǎn)水時總是點(diǎn)在某波紋的邊緣，蜻蜓在兩次點(diǎn)水的時間間隔里飛行的距離與該波紋的邊緣前進(jìn)的距離相等，即蜻蜓飛行速度等于水波速度。蜻蜓第一次點(diǎn)水處的坐標(biāo)，第三次點(diǎn)水處的坐標(biāo)，歷時，則蜻蜓的飛行速度。9聲音到達(dá)人耳的先后順序（傳聲物質(zhì)）依次是：鐵、水、空氣。要分辨空氣和水傳來的聲音，應(yīng)有，解得。要分辨水和鐵傳來的聲音，應(yīng)有，解得。要分辨空氣和鐵傳來的聲音，應(yīng)有，解得。因此，同學(xué)與敲擊點(diǎn)處的距離時，三種物質(zhì)傳播的聲音到達(dá)聽音者的時間間隔均等于或大于，能聽到三次敲擊聲。同學(xué)與敲擊點(diǎn)處的距離時，水和空氣傳播的聲音到達(dá)聽音者的時間間隔等于或大于（可以分辨）；空氣和鐵傳播的聲音到達(dá)聽音者的時間間隔等于或大于（可以分辨）；水和鐵傳播的聲音到達(dá)聽音者的時間間隔小于（不能區(qū)分）。同學(xué)能聽到兩次敲擊聲。同