“聲音具有能量”的實驗證明

張伯林 朱敏

摘 要：聲音具有能量，可以通過實驗進行驗證，初中物理教材中安排這方面的實驗，在日常教學(xué)中有些教師也改進或者創(chuàng)新這方面的實驗，但在教學(xué)中教師要理性地判斷這些實驗的科學(xué)性，選擇合理有效的實驗進行教學(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、信息與實驗技術(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驗加以論證，有的中考物理試題也常涉及到關(guān)于聲音具有能量的實驗，這些實驗的呈現(xiàn)“繁華似錦”，是否都能證明聲音具有能量？

1 實驗例析

通常這類實驗一般是用聲波吹動或吹滅蠟燭，下面我們分析幾個常見的實驗，看看它們能不能證明聲音具有能量.

實例1 紙筒滅火實驗

（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)對其中兩個問題進行探究，實驗裝置如圖1所示：A為一個圓筒，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為一只點燃的蠟燭.完成表1的內(nèi)容.

為保證每次實驗聲音的頻率相同，你的做法是________.

此試題涉及到的實驗，能否可以證明聲音具有能量？為此筆者重現(xiàn)本實驗，實驗過程完全按題目要求進行，為了能看清實驗現(xiàn)象，筆者實驗前在圓筒內(nèi)裝入煙霧.拍打圓筒后面的塑料薄膜，會看到一個煙圈從圓筒前面的圓孔飛出，當(dāng)煙圈到達蠟燭火焰時，蠟燭火焰出現(xiàn)晃動，甚至熄滅.增加圓筒與蠟燭之間的距離再次實驗，觀察到的現(xiàn)象依然是煙圈到達蠟燭時，火焰出現(xiàn)晃動，并且煙圈到達火焰的時刻要遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于在蠟燭處聽到拍打塑料薄膜聲音的時刻，這就充分證明：煙圈的運動不是聲音，吹動燭焰的不是聲音，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)”，在運動過程中能量損失較慢，所以運行距離較遠(yuǎn).因此這個裝置素有“空氣炮”之稱.

將此空氣炮實驗放在課堂上，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驗很鐘愛.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)向前運動，也就是說將此實驗作為氣體具有慣性的實驗是不是更為貼切？

實例2 揚聲器滅火實驗

人教版八年級物理40頁演示實驗，如圖2所示.

蘇科版八年級物理11頁演示實驗，如圖3所示.

為了證明聲音具有能量，兩個版本的教材都采用揚聲器吹蠟燭的實驗，實驗現(xiàn)象為：當(dāng)揚聲器發(fā)出比較大的聲音時，放在揚聲器前面的蠟燭火焰出現(xiàn)晃動.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？仔細(xì)觀察實驗現(xiàn)象，有兩點不容忽視：（1）揚聲器在播放打擊樂、重低音的情況下，才有明顯的實驗現(xiàn)象——蠟燭火焰晃動;（2）蠟燭火焰晃動都是向遠(yuǎn)離揚聲器的方向運動，在火焰傾斜的基礎(chǔ)上，還會看到火焰輕微地抖動.

為了弄清楚這些現(xiàn)象，筆者先重點介紹一下?lián)P聲器（如圖4所示），揚聲器的原理是通電線圈在磁場中受力運動，當(dāng)線圈流過音頻電流時，線圈在磁場中受到變化的力帶動紙盆振動發(fā)聲.紙盆的振動距離越大，對低音的表現(xiàn)力就越好，為此揚聲器有個技術(shù)術(shù)語叫“揚聲器沖程”（線性沖程）：揚聲器音圈的最大行程就叫“沖程”，這個沖程有多大？直徑6～8英寸的揚聲器的最大單向沖程一般在3～6mm，也就是說，揚聲器的紙盆最大移動距離可達10mm，造成紙盆大距離移動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)，其實這個實驗與實例1中的“空氣炮”有類似之處，都是用“膜”推動空氣，不同之處在于揚聲器的“膜”的振動將手動改為電動.

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

有的教師將揚聲器吹蠟燭的實驗進行了改進，如圖5所示，利用這樣的裝置實驗時，將手放在瓶口處會感到一股股氣流噴到手上，這樣的改進其實就是將手動空氣炮改成電動空氣炮，氣流的噴出實質(zhì)是紙盆推動空氣的結(jié)果.

實例3 發(fā)令槍滅火實驗

實驗器材：田徑比賽時用的發(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.

實驗方法：實驗裝置如圖6所示.

（1）將直徑及焦距相同的兩個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）在兩個拋物面反射鏡下方放置一個光具座.

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

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

實驗原理：拋物面反射鏡起到將聲音集中到一點（焦點）的作用，在聲音集中的地方點燃一支蠟燭，隨著“啪”的一聲槍響，聲音在兩個拋物面反射鏡之間傳播—反射—傳播—反射—會聚，通過左側(cè)拋物面反射鏡焦點處聲波最強，能量最大，空氣的振動集中于那一點，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度不如焦點處能量大.

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)受到強擾動時，會產(chǎn)生一種不連續(xù)峰在介質(zhì)中以超聲速傳播，這個峰導(dǎo)致介質(zhì)的壓強、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動，例如發(fā)射出去的炮彈和超聲速飛行的飛機.

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發(fā)生.以下是幾個產(chǎn)生激波的實例（如圖7所示）.

由此我們可以斷定，在發(fā)令槍熄滅蠟燭的實驗中，發(fā)令槍也會產(chǎn)生激波，激波在傳播過程中遇到兩個鐵鍋被反射，并在蠟燭處會聚，較為強大的激波導(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：激波介質(zhì)有位移，聲波介質(zhì)只在平衡位置來回振動;

（4）波速影響因素：激波跟沖擊波的強度有關(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，是因為彈殼中的火藥爆炸，產(chǎn)生激波，推動空氣快速移動，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，火焰的晃動必然是隨波而動，晃動幅度的大小是由聲波的振幅決定，有人會問，當(dāng)聲波的振幅足夠大時，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，50Hz的聲波滅火效果比較好，當(dāng)聲音大到120dB（實際吹蠟燭的實驗達不到這個值）已經(jīng)達到痛覺域，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，其振幅可以根據(jù)下面的公式計算：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，我們只能看到它的輕微抖動，但不會因為輕微抖動而滅掉.

繼續(xù)增大聲音的響度，50Hz的聲音增大到140dB會怎樣？經(jīng)過計算可知，聲音振幅可達1.5mm，介質(zhì)最大位移3mm，此時火焰抖動現(xiàn)象會明顯很多，但抖動范圍不超過蠟燭火焰的寬度，火焰也不會熄滅.但這樣的聲音，人耳已經(jīng)無法承受，通常聲音吹蠟燭實驗不會在這樣的聲音環(huán)境中進行.

綜上所述，在上面所涉及到的聲音吹蠟燭實驗中，火焰“抖動”反映聲音的振動;蠟燭熄滅的原因不是由于介質(zhì)（空氣）的往復(fù)振動所致（介質(zhì)振幅太小），而是由于空氣炮薄膜、揚聲器紙盆等發(fā)聲體的爆發(fā)式運動擠壓空氣，形成遠(yuǎn)離發(fā)聲體運動的氣流，才吹滅蠟燭.實驗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”來證明反而更合理.

3 聲音能量的證明實驗改進

用什么實驗可以證明聲波能量的存在呢？

最簡單的現(xiàn)象就是，教師在講課時同學(xué)們能夠聽到聲音，其原因就是當(dāng)聲波傳到耳膜時，聲波因為具有能量而推動耳膜發(fā)生振動.但這種的現(xiàn)象似乎太平淡無奇，如何能通過實驗讓學(xué)生“看到”聲波的能量？增大聲波的振幅就可以實現(xiàn)，共振無疑是個增大振幅的好辦法.

音叉共振實驗：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，但這個實驗對實驗條件要求較高，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.

量筒共鳴實驗：此實驗曾經(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，實驗中用到兩個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，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，因為共振，波腹不斷疊加，振動幅度不斷加大使得燭焰散熱加快，直到熄滅.此實驗現(xiàn)象明顯而有趣，但可能因為有的學(xué)校沒有配備這樣的吸塵器，給實驗帶來困難.

共振實驗的改進：量筒共鳴實驗可以改進，用兩個相同的飲料瓶子代替兩個量筒，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的風(fēng)力，實驗中不需要熱風(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驗輕松帶入課堂.

物理是以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，如果教師只是做到將大量的實驗呈現(xiàn)出來，這就是成功教學(xué)嗎？我們不能只當(dāng)實驗的搬運工.當(dāng)一個新的實驗誕生時，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)探究實驗的真實性與科學(xué)性，查找實驗中存在的不足，敢于質(zhì)疑、探索，格物致知，盡可能地避免向?qū)W生提供錯誤的科學(xué)認(rèn)知.同樣，這樣的品質(zhì)也會影響、熏陶學(xué)生，使其在物理中學(xué)會質(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）