科学原理:声音的速度
发布时间:2020-07-09
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科学原理:声音的速度

 

在课本里,我们会学到声音每秒能跑340米远,相当于在1秒的时间里能绕操场跑近一圈(400米)!实际上,这个速度还有个前提,那就是在15℃,1个标准大气压的空气中。声音的速度并不是一成不变的,它和我们一样,在有些地方跑得快,有些地方跑得慢,比如我们在橡胶跑道上跑得快,在沙地上跑得慢,而声音在固体、液体和气体中的速度也都不一样。但声音的传播和我们跑步有着本质区别——声音不是自己在往前跑,而是依靠物体振动形成的声波来传播的,它更像一场接力跑,而不是长跑。

我们已经知道声音的本质是振动,声音的传播需要介质,它可以是任何物体。那在什么样的物体中,声波能跑得更快呢?

在电视里你可能看到过这种场景:古代的士兵把耳朵贴在地上监听敌方人马是不是快过来了,这是因为声音在固体中的传播速度比在空气中快得多。

通常来说,声音在气体中的速度小于液体,液体又小于固体。从气体到固体,物质的密度变得越来越大,所以是介质密度越大,声音跑得越快吗?可是冰的密度比水小,传播声音的速度却比水更快又是怎么回事?所以说,答案可没这么简单。要想帮声音跑得更快,我们需要先理解声音究竟是怎么跑起来的。

声音本身没有实体,它是以声波的形式传播的,声波就和水波一样,是一种机械波。什么是机械波呢?你观察过水波上的落叶吗?当水面上泛起涟漪时,水波一圈圈向外扩散开来,但是落叶却并没有随着水波向外漂去,而只是上下振动。这就是机械波的特点,介质中的质点(有质量的点)本身不会向外移动,只是在振动,能量通过振动传给了它周围的质点。更具体地说,传播声音的介质是由许多微观粒子,比如分子、原子构成的,你可以把它们想象成一个个小球,声音传播的时候就是这些小球在一个撞一个地传递能量。但是这种连环“撞击”和打台球可不一样,因为这些小球撞向对方后还会弹回原来的位置,也就是说它们之间是由无形的“弹簧”相连的,这些弹簧就是粒子间的作用力,最典型的是分子间的范德华力。

这些“弹簧”的伸缩能力,会影响它“弹出”的快慢,进而影响声音传播的速度。这些“弹簧”的伸缩能力对应的就是物体的弹性模量(物体抵抗弹性变形能力大小),通常来说越“硬”的物体它的弹性模量越大,所以固体的弹性模量要大于液体,再大于气体,这才是它们的传播声音的速度从快到慢的根本原因。

当然,小球自己的属性也会影响它们传播振动的速度。越重的小球,惯性越大,也就越“懒得动”。小球的轻重对应的是粒子的质量,当物体体积和所含粒子数相等时,粒子的质量越大,物体的密度也越大。从这个角度看,密度大反而不利于传播声音。事实上,在弹性模量相同的情况下,物质密度越小,传播声音的速度确实是越快,这就是为什么氢气传播声音的速度比空气快得多,虽然它们的弹性模量差不多。

对于气体而言,温度会直接影响它们的弹性模量和密度,同一种气体,温度越高,传播声音的速度越快。下次赛跑前热热身说不定可以跑得更快呢。



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