物理爱好者

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声音和枪弹








　　儒勒·凡尔纳的炮弹向月球飞去的时候，有一件事使炮弹里的乘客感到莫名其妙，就是他们没听到这门大炮把他们从炮口里射出时的声音。不过这是必然的，不论这炮声有多么大，炮声传播的速度（同一切声音在空气里的传播速度一样）只是340米每秒。可是炮弹却用11000米每秒的速度前进。炮弹既然赶在声音的前面，放炮时候的声音达不到旅客们的耳鼓，就是可以理解的了

　　现在我们不谈那幻想的炮弹，而谈真正的枪炮的子弹：是子弹运动得比声音快呢，还是声音比子弹更快，可以警告被射击的人快些躲开？

　　现在的步枪发射时候传给枪弹的速度，差不多是空气里的声音速度的3倍，就是大约900米每秒（摄氏零度时候声音的速度是332米每秒）。当然，声音是均匀地传播的，而子弹飞行的速度却越来越慢。可是在大部分路线上子弹的速度仍然比声音快。从这里就可以直接得出结论，如果在放枪的时候，你听到了枪声或子弹的啸声，那你就不必惊慌了：子弹已经越过你飞向前面去了。还有，枪弹是赶在枪声前面的，所以如果枪弹打中了人，这人应该在枪声到达他的耳鼓以前，就已经被打死了。

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假爆裂

飞行物体和它所发出的声间之间在速度上的竞赛，有时候会使我们不由自己地作出错误的，跟实际现象完全不同的结论。 　　高高地在我们头上掠过的流星或炮弹就是有趣的例子。从宇宙空间进人地球大气的流星，有非常高的速度。虽然大气的阻力已经把它的速度减慢了，但是，它还是比声音的速度高几十倍。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　流星划破空气的时候，往往要发出一种类似雷声的噪音。设想我们是在C点（图298），而在我们上面有一颗流星在沿着AB线飞行。流星在A点发出的声音，只有在流星本身已经飞到B点的时候，才能来到我们的耳朵（在C点）。因为流星的飞行速度要比声音的速度快得多，所以它能够来得及达到某一个点D，并使在这个点上发出的声音比它从A点发出的声音更早到达我们的耳朵。因此我们先听到的是从D点来的声音，然后才听到从A点来的声音。又因为B点来的声音也比D点来的声音到达得更迟，所以在我们头顶上某处应当有这样一点K，从这一点上，流星发出的声音应当最早到达我们的耳朵。爱好数学的人如果知道流星的速度跟声音速度的比，就能够计算出这个点的位置来。 　　于是我们就得到这样的结果：我们所听到的和我们所看到的完全不一样。在我们的眼睛里，流星首先出现在A点上，接着就从这一点沿着AB线飞行。可是对我们的耳朵说来，流星却首先出现在我们头顶上某一点K上，然后我们同时听见两个声音，分向两个相反的方向前进，越来越小下去。这两个方向，一个是从K到A，一个是从K到B。换句话说，我们好像听见这颗流星已经爆裂成了两部分，分向两个相反的方向飞去。而在实际上，并没有发生爆裂这回事。请看我们的听觉受到了怎样的欺骗啊！所以许多人说他们亲眼看到过流星爆裂，也许正是由于这种听觉的错觉。

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一件幸运的事








　　假如声音在空气里传播的速度不是340米每秒，而是比这慢得多，那末听觉发生错觉一定还要多。

　　举例来说，设想声音每秒钟不是走340米，而是走340毫米，也就是说，比人的步行还要慢。现在你是坐在椅子上听你的朋友说故事，而你的朋友却有在讲话的时候来回踱步的习惯。在普通的情况下，他这样的踱步一点也不会妨碍你听他的话的。可是在声音的速度变慢了的时候，你就会一点也听不清你的朋友在说什么了。他先发的声音会同后发的声音同时到达你的耳朵，并且混淆在一起，结果你听到的是一片嘈杂声，一点意思也听不出来。

　　还有，在你的朋友向你快步走来的时候，他说话的声音还会在相反的顺序里到达你的耳朵：他刚发的声音会最先来到，早发的声音会后一步来到，更早发的到得更迟。因为说话的人在赶着自己的声音，并且始终在声音的前面，继续发出新的声音。这时候，在他所说的那些话里，除非有许多都是像回文体那样倒过来听也是一样的意思，否则你就会一句都听不懂了。

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最慢的谈话








　　不过，假如你认为声音在空气里的真正速度（l／3公里每秒）永远是足够了的话，那你读了这一段以后，就会改变自己的意见了。

　　设想在相距1000公里的两地之间没有电话，只好装设从前那种在大商店里连接各个房间的传话筒，或者在轮船上为了同机器间通话而装设的传话筒。在通话的时候，你站在这个长线路的这一头，而你的朋友站在那一头。你问他一句话，等候对方回答。可是等了5分钟、10分钟、15分钟、20分钟、25分钟，回音还是没有。你开始焦急起来了，也许会想到同你通话的对方可能出了什么意外了吧。可是你这种担忧是多余的：你的问话还没有到达那一头，这时候它还在半路上呢。要再等二三十分钟，你的那位朋友才能听到你的问话，并且给你答复。可是他的答复从那一头到这一头还得走那么长时间。因此，你发问以后得过一个多小时，才能听到答复。

　　让我们验算一下：两地相距1000公里，声音每秒钟走1／3公里，这就是说，声音在这两地之间得走3330秒钟，或者55．5分钟。在这种条件下，从早到晚整天通话，也只能彼此交换十来句话罢了。

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声云和空气回声








　　不但坚硬的障碍物可以反射声音，就像云一类柔软的东西也能够反射声音。不但这样，甚至连完全透明的空气，在某些条件下，就是在这部分空气的传声的能力由于某种缘故变得同其余的空气不同的时候，也能够反射声音。这里发生的现象同光学里所谓“全反射”相像。无形的障壁把声音反射了回来，使我们听到一种不知从哪里来的回声。

　　这件有趣的事实是了丁择尔偶然在海边做声音信号试验的时候发现的。他说道：“我曾经得到过从完全透明的空气反射过来的回声。这种回声好像是用魔术从无形的声云里送回来的。

　　他所说的声云就是部分能够截住声音、强迫它反射回来、因而产生从“空气来的回声”的透明空气。关于这一点他是这样说的：

　　声云经常飘浮在空中。它们跟普通的云雾没有什么关系。极透明的空气里也许也充满着这种云。这样就会得到空气回声；所以和流行的见解相反，这种回声就是在最明朗的大气里也可能发生。观察和实验证实了有这样的空气回声存在着。冷热不同或所含的水蒸气数量不同的气流，都可以产生空气回声。能够反射声音的声云的存在，可以解释某些在作战当中有时候能够看到的怪现象。丁择尔从一个亲自看到1871年普法战争的人写的回忆录里，引了下面一段话：

　　6日早晨跟前一天早晨完全相反。昨天是刺骨的寒冷并且有雾，半里路以外谁也看不见东西。可是6日的天气晴朗而和暖。昨天空中充满着声音，而今天却平静得和那不知道有战争的桃花源里一样。我们惊异地你看着我，我看着你。难道巴黎和它的堡垒、大炮、轰击都消失得无影无踪了吗……我坐车来到了蒙莫兰西，从这里我可以看见巴黎北郊的宽广的全景。可是这里也是死一般地沉寂……我遇到3个士兵，我们于是开始推测目前的局势。他们都在想这时候大概是在开始和谈了。因为从清晨起，就一声枪响也没听到过……

　　我又继续前进到霍涅斯。可是这使我非常惊奇，因为我听说德国人的大炮从早晨8点钟起就在猛烈地轰击。在南方，炮击也是在差不多时间开始的。可是在蒙莫兰西，我却没有听到一点声音……这一切都和空气有关系：今天它传声的能力很差，而昨天却很好。类似的现象在1914～1918年的第一次世界大战当中，也曾经不止一次地出现过。

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听不见的声音








　　有些人听不见像蟋蟀的鸣声或蝙蝠的吱吱声那样尖锐的声音。这些人的耳朵并不聋──他们的听觉器官很好，可是他们竟听不见非常高的音调。丁择尔肯定说，有些人甚至连麻雀的叫声都听不见。

　　一般说来，在我们附近发生的振动，我们的耳朵觉察不到的多得很。如果一个物体1秒钟振动的次数不到16次，这声音我们就听不见。如果1秒钟高到振动15000到22000次以上，我们也听不到它。各人能够察觉的音调的最高界限是各不相同的。老年人的这种最高界限可以低到每秒钟振动6000次。因此有时候会发生这样的怪现象：有些人能听到刺耳的高音，有些人却不能听到。

　　有许多种昆虫（像蚊子和蟋蟀）发出的声音，振动次数是每秒钟20000次。这些音调当然是有些人听得见，有些人听不见。有些不能觉察高音的人，往往在别人觉得杂乱以及有非常刺耳的声音的地方，感到十分安静。丁择尔曾经谈到有一次他和一位朋友在瑞士游玩的时候遇到的一件跟这类似的偶然事情，他说道：“大路两旁的草地里到处都是昆虫。在我们听来，这里的空中充满着尖锐的虫鸣声，可是我的朋友却什么也听不见：昆虫的音乐超出了他的听觉范围。”

　　蝙蝠的吱吱声比昆虫的刺耳的鸣声要低一个8度音，那就是说，在这种情况下空气振动的次数还要慢一半。可是也有人因为他们的音调觉察力的最高界限还要低，所以蝙蝠对于他们说来也是一种不会发声的动物。

　　相反地，正像巴甫洛夫的实验室里所证明的那样，狗却能够察觉振动次数高到38000次每秒的音调，但这已经是“超声”振动的领域了。

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超声波在技术上的应用








　　今天的物理学家和技术专家已经有方法可以创造振动频率比刚才说过的高得多的“听不见的声音”，超声波的振动频率可以高到每秒钟10亿次。

　　产生超声波的一种方法是利用石英片的一种性能，石英片是用一定的方法从石英晶体上切下来的，在压缩的情况下，它的表面会起电。

　　如果反过来，在这种石英片的表面上周期地使它带电，那末这表面就会在电荷的作用下，交替着一伸一缩，也就是起了振动：使我们得到超声波振动。使石英片带电，得用无线电技术里所用的电子管振荡器，振荡器的频率可以挑选同石英片“固有”振动周期相合的。

　　超声波虽然不能被我们听见，但是它们却能用别的极明显的方式来显示出它们的作用。例如，如果把振动着的石英片浸在油缸里，那末，在受到超声波作用的那一部分液体的表面上，就会激起高达10厘米的波峰，同时还有小油滴飞溅到40厘米高。把一根长1米的玻璃管的一头浸在这油缸里，并且用手抓住玻璃管的另一头，你的手就会感到非常烫，烫得你的皮肤上会留下伤痕。让这玻璃管的一端跟木料接触，会把木料烧穿一个洞，超声波的能量变成了热能。

　　现在各国的研究家都在仔细地研究着超声波。这种振动对于生物能够起强烈的作用：遇到它们，海草的纤维会裂开，动物的细胞会破碎，血球会破坏，小鱼和蛙类会在一二分钟里面被杀死。

　　用超声波做实验的时候，动物的体温会提高，譬如老鼠的体温会提高到45摄氏度。以后超声波还一定会在医药方面起相当重要的作用；听不见的超声波会同看不见的紫外线一起，帮助医师治病。

　　特别有成就的是在冶金术方面，人们利用超声波来探察金属内部是不是均匀，有没有气泡、裂缝等缺点。利用超声波来“透视”金属的方法，就是把被检查的金属浸在油里，然后使它受到超声波的作用。这时候金属里不均匀的区域就会把超声波漫射开，投射出一种好像是“声音的阴影”来。结果，在那均匀的油面上就会出现金属的不均匀部分的轮廓，这轮廓非常明显，甚至可以照下相来用超声波可以“透视”厚到1米以上的金属，这是用爱克斯射线来透视所完全做不到的。超声波在这时候可以发现极小的。小到1毫米的不均匀的部分。毫无疑问，超声波是有非常远大的前途的。