物理爱好者

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大雪后为什么很寂静







　　在冬天，一场大雪过后，人们会感到外面万籁俱静。这是怎么回事?难道是人为的活动减少了吗?那么，为什么在雪被人踩过后，大自然又恢复了以前的喧嚣？原来，刚下过的雪是新鲜蓬松的。它的表面层有许多小气孔。当外界的声波传入这些小气孔时便要发生反射。由于气孔往往是内部大而口径小。所以，仅有少部分波的能量能通过出口反射回来，而大部分的能则被吸收掉了。从而导致自然界声音的大部分能均被这个表面层吸收，故出现了万籁俱寂的场面。 而雪被人踩过后，情况就大不相同了。原本新鲜蓬松的雪就会被压实，从而减小了对声波能量的吸收。所以，自然界便又恢复了往日的喧嚣。

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爆炸时寂静区是怎样形成的?







有一次,在欧洲的阿尔卑斯山的一个隧道里,二十八吨的炸药爆炸了!附近三十千米以内的居民都听见了爆发的巨响,离爆炸地点40km、50km的居民则一点也没有听到。这是否说明爆炸声的传播范围只有方圆30km呢？不是的。事实上，离爆炸地点往北远隔160km的地方，人们却很清楚地听到了这次爆炸声。


声音怎么会跳跃到这么远的地方去？中间的寂静区是怎样形成的呢？


声音传播的速度与温度有关，温度越高声速越大。在大气下层，温度随高度的升高而降低；在较高的气层中气温又随高度的增加而升高。在这种情况下，声波的射线开始向上弯曲，随后发生全反射现象而射回地面。到地面又可发生反射。发生反射的地方均可听到声音。如反射很强，则此过程还可继续进行下去。


沿着地面传播，声音是传不远的。因为地面上到处都有树木、山丘、建筑物以及其它许多凹凸不平的东西，声波遇到这些障碍物就会发生反射或吸收。


阿尔卑斯山隧道里的爆炸声，则经过隧道弧形壁反射而形成声音的聚焦；声音被集中起来后，传播出去：它沿地面只传播了30km；这强大的声流又向空中传播，声音的射线不断弯工，恰又矿碰到了北方约80km处浓厚的云；变反射到远隔160km的地区去。这样，在30km和160km之间变出现了寂静区。


在战争中，如果发生这种奇异现象，指挥员不容易听到寂静区背后的枪炮声，就会造成重大的伤亡。

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开水倒在地上为什么发出低沉的“扑扑”声?







有人认为,冷水倒在地上,水和水里的空气同时与地面撞击,所以发现的声音比较清脆.至于开水,因为开水里没有空气了,倒在地上时就只有水与地面撞击,所以发出的声音比较低沉.


这种看法,好像有些道理,其实不然.


首先,冷水中的空气溶解在水里,是作为液体存在的,当冷水与地面撞击时,溶解着的空气不可能预先变成气体来与地面撞击.


其次,我们把溶解有空气的冷水视同汽水.汽水里的二氧化碳是在高压下溶解的,打开瓶塞就等于突然减少液面的压力.所以只要稍加摇动,就有大量的二氧化碳从液体中喷出,这与冷水中溶解空气的情况完全不同,溶解在冷水中的空气是极少的,并未达到饱和状态.因此,当冷水撞击地面时,一般只会有更多的空气溶解在水中,而不是有许多空气从水里跑出.


再则,认为开水撞击地面发出的声音比较低沉,是由于开水里没有空气,这个说法如果确实,那么没有空气的冷开水就应发出与热开水一样的声音.可是,冷开水撞击地面的声音完全跟冷水一样,这就证明了开水和冷水撞击地面发出不同的声音,与水里有否有空气毫无关系.


冷水和开水的主要区别,一是空气的有无,二是温度的高低.在上面的分析中,已经否定了前者,则原因就在于温度的高低了.


用一壶煮开的水,每隔二三分钟向地面浇注一次,同时注意每次发出的声音,你就会发现,随着壶水温度的降低,声音的调子由低到高,“扑扑”声逐渐变为“噼啪”声.


那么,温度不同的水撞击地面时,为什么会发出不同的声音呢?


水煮开后,水分子的活动能力大为增加,分子间的吸引力大为削弱,这时,不仅液体表面的水分了很快蒸发,而且液体内部的水分子也争先恐后地汽化飞出.因此,在开水四周总是夹着这一层富于弹性的水汽,所以发出了低沉的"扑扑"声．


水温逐渐降低时，水分子的活动能力减弱了，分子间的吸引力增大了，液体内部的水分子不再汽化，包围着的水汽层逐渐消失，这时，水着地就直接与地面接触，因而发出来的声音变清脆了．

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日光灯







你家里使用日光灯吗？你知道为什么闭合开关后过几秒钟灯管才发光吗？日光灯的起动正是利用了线圈的自感现象。


日光灯主要由灯管、镇流器和启动器组成。灯管的两端各有一个灯丝，管中充有稀簿的氩和微量水银蒸气，管壁上涂着荧光粉。灯管的工作原理和白炽灯不同，两个灯丝之间的气体在导电时主要发出紫外线，荧光粉受到紫外线的照射才发出可见光。荧光粉的种类不同，发光的颜色也不一样。


气体的导电有一个特点：只有当灯管两端的电压达到一定值时气体才能导电；而要在灯管中维持一定大小的电流，所需的电压却低得多。因此，如果把220V的电压加在灯管的两端并不能把它点燃。有了镇流器和启动器就能解决这个问题。


镇流器是绕在铁芯上的线圈，自感系数很大；启动器由封在玻璃泡中的静触片和U形动触片组成，玻璃泡中充有氖气。两个触片间加上一定的电压时，氖气导电，发光、发热。动触片是用粘合在一起的双层金属片制成的，受热后两层金属膨胀不同，动触片稍稍伸开一些，和静触片接触(图3丙)，


启动器不再发光，这时双金属片冷却，动触片形状复原，两个触点重新分开。


闭合开关后电压通过日光灯的灯丝加在启动器的两端，启动器如上所述发热－触点接触－冷却－触点断开。在触点断开的瞬间，镇流器L中的电流急剧减小，产生很高的感应电动势。感应电动势和电源电压叠加起来加在灯管两端的灯丝上，把灯管点燃。实际使用的启动器中常有一个电容器并联在氖泡的两端，它能使两个触片在分离时不产生火花，以免烧坏触点，同时还能减轻对附近无线电设备的干扰。没有电容器时启动器也能工作。


家里照明用的电源是交流，它的大小和方向都在不停地变化。镇流器L中的自感电动势阻碍电流的变化，使得流过灯管的电流不致过大。自感的这个作用在“交变电流”那章还会讲到。


读完这段，请你思考以下几个问题。


(1)如果电容器两端的电压过高，电容器的绝缘层就会破坏，变成导体，把两极连在一起。这种故障叫做电容器的击穿。这是日光灯启动器的一种常见故障。为什么常常出现这种故障？


(2)为什么电容器击穿后日光灯不能点燃？说出这种情况下可以采取的应急措施。


(3)启动器是安装在插座上的。如果启动器丢失，有什么办法用一小段带绝缘外皮的导线起动日光灯吗？

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磁带录音原理







话筒把声音变成音频电流，放大后送到录音磁头。录音磁头实际上是个蹄形电磁铁，两极相距很近，中间只留个狭缝。整个磁头封在金属壳内。录音磁带的带基上涂着一层磁粉，实际上就是许多铁磁性小颗粒。磁带紧贴着录音磁头走过，音频电流使得录音头缝隙处磁场的强弱、方向不断变化，磁带上的磁粉也就被磁化成一个个磁极方向和磁性强弱各不相同的“小磁铁”，声音信号就这样记录在磁带上了。


放音头的结构和录音头相似。当磁带从放音头的狭缝前走过时，磁带上“小磁铁”产生的磁场穿过放音头的线圈。由于“小磁铁”的极性和磁性强弱各不相同，它在线圈内产生的磁通量也在不断变化，于是在线圈中产生感应电流，放大后就可以在扬声器中发出声音。普通录音机的录音和放音往往合用一个磁头。

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电子琴的发音原理







电子琴既可以演奏不同的曲调，又可以发出强弱不同的声音，还可以模仿二胡、笛子、钢琴、黑管以及锣鼓等不同乐器的声音。那么，电子琴的发音原理是怎样的？

　　大家知道，当物体振动时，能够发出声音。振动的频率不同，声音的音调就不同。在电子琴里，虽然没有振动的弦、簧、管等物体，却有许多特殊的电装置，每个电装置一工作，就会使喇叭发出一定频率的声音。当按动某个琴键时，就会使与它对应的电装置工作，从而使喇叭发出某种音调的声音。

　　电子琴的音量控制器，实质上是一个可调电阻器。当转动音量控制器旋扭时，可调电阻器的电阻就随着变化。电阻大小的变化，又会引起喇叭声音强弱的变化。所以转动音量控制旋扭时，电子琴发声的响度就随之变化。

　　当乐器发声时，除了发出某一频率的声音──基音以外，还会发出响度较小、频率加倍的辅助音──谐音。我们听到的乐器的声音是它发出的基音和谐音混合而成的。不同的乐器发出同一基音时，不仅谐音的数目不同，而且各谐音的响度也不同。因而使不同的乐器具有不同的音品。在电子琴里，除了有与基音对应的电装置外，还有与许多谐音对应的电装置，适当地选择不同的谐音电装置，就可以模仿出不同乐器的声音来。

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混响







声波在室内传播时，要被墙壁、天花板、地板等障碍物反射，每反射一次都要被障碍物吸收一些．这样，当声源停止发声后，声波在室内要经过多次反射和吸收，最后才消失，我们就感觉到声源停止发声后声音还继续一段时间．这种现象叫做混响，这段时间叫做混响时间．混响时间的长短是音乐厅、剧院、礼堂等建筑物的重要声学特性．?


对讲演厅来说，混响时间不能太长．我们平时讲话，每秒钟大约发出2～3个单字，假定发出两个单字“物理”，设想混响时间是3秒，那么，在发出“物”字的声音之后，虽然声强逐渐减弱，但还要持续一段时间(3秒)，在发出“理”字的声音的时刻,“物”字的声强还相当大．因而两个单字的声音混在一起，什么也听不清楚了.但是,混响时间也不能太短，太短则响度不够，也听不清楚．因此需要选择一个最佳混响时间．北京科学会堂有一个学术报告厅，混响时间为1秒．?


不同用途的厅堂，最佳混响时间也不相同，一般来说，音乐厅和剧场的最佳混响时间比讲演厅要长些，而且因情况不同而不同．轻音乐要求节奏鲜明，混响时间要短些，交响乐的混响时间可以长些．难于听懂的剧种如昆曲之类，混响时间一长，就更难于听懂.节奏较慢而偏于抒情的剧种，混响时间则可以长些．总之，要有一定的、恰当的混响时间，才能把演奏和演唱的感情色彩表现出来，收到应有的艺术效果．北京“首都剧场”的混响时间，坐满观众时为1.36秒，空的时候是3.3秒．这是因为满座时，吸收声音的物体多了，所以混响时间缩短，上面所说的最佳混响时间是指满座时的混响时间．高级的音乐厅或剧场，为了满足不同的要求，需要人工调节混响时间．其中一种办法是改变厅堂的吸声情况．在厅堂内安装一组可以转动的圆柱体，柱面的一半是反射面，反射强、吸收少；另一半是吸声面，反射弱、吸收多．把反射面转到厅堂的内表面，混响时间就变长；反之，把吸收面转到厅堂的内表面，混响时间就变短．


高水平的音乐会都不使用扩音设备,为的是使听众直接听到舞台上的声音.为了让全场听众都能听到较强的声音,音乐厅的天花板上挂着许多反射板,这些反射板的大小、形状、安放位置和角度都经过精确设计,以便把舞台上的声音反射到音乐厅的各个角落.


处理好不同建筑物的声响效果，取得好的音质，这是一门很重要的学问，叫做建筑声学．上面介绍的混响只是其中的一个方面，希望能引起同学们对声学的兴趣，钻研这门与我们生活关系密切的科学．