声的利用

声的利用 ?教学目标 一、知识目标 了解现代技术中与声有关的知识应用( 二、能力目标 通过观察、参观或者录像等有关的文字、图片、音像资料，获得社会生活中 声的利用方面的知识( 三、德育目标 通过学习，了解声在现代技术中的应用，进一步增加对科学的热爱( ?教学重点 现代技术中与声有关的知识应用( ?教学难点 声在现代技术中的应用( ?教学 讨论法、启发式( ?教学用具 录像带(超声、次声、声音在现代科技中的应用)、录像机、电视( ?课时安排 1课时 ?教学过程 一、引入新课 ,师,同学们好，在这一单元我们学习了有趣的声现象，知道了声的概念比 较广，包括声音(人耳能感觉到的那部分声)、超声(频率高于20000 Hz的声) 和次声(频率低于20 Hz的声)(声在生活实际、工农业生产和现代科技中的应 用非常广泛，请同学们说出所了解的利用声的实例( ,生1,我们楼道里的声控开关( ,生2,广场的声控喷泉( ,生3,家庭里的超声波加湿器( ,生4,医院里检查病情用的“B超”和“彩超”( ,生5,工厂里用的超声波探伤仪( ,生6,利用“声纳”探测黑匣子( ,生7,利用次声波预测地震、台风等( ,生8,平常我们利用声音获取信息( ,师,看来，我们的生活、工业生产、现代科学技术与声有着密切的关系， 这节课我们就来学习声的利用( 二、进行新课 (一)声在医疗上的应用 1(中医诊病通过“望、闻、问、切”四个途径，其中“闻”就是听，这是 利用声音诊病的最早例子( 2(利用B超或彩超可以更准确地获得人体内部疾病的信息(医生向病人体 内发射超声波，同时接收体内脏器的反射波，反射波所携带的信息通过处理后显 示在屏幕上(超声探查对人体没有伤害，可以利用超声波为孕妇作常规检查，从 而确定胎儿发育状况( 3(药液雾化器 对于咽喉炎、气管炎等疾病，药力很难达到患病的部位(利用超声波的高能 量将药液破碎成小雾滴，让病人吸入，能够增进疗效( 4(利用超声波的高能量可将人体内的结石击碎成细小的粉末，从而可以顺 畅地排出体外( (二)超声波在工业上的应用 1(利用超声波对钢铁、陶瓷、宝石、金刚石等坚硬物体进行钻孔和切削加 工，这种加工的精度和光洁度很高( 2(在工业生产中常常运用超声波透射法对产品进行无损探测(超声波发生器发射出的超声波能够透过被检测的样品，被对面的接收器所接收(如果样品内部有缺陷，超声波就会在缺陷处发生反射，这时对面的接收器便收不到或者不能全部收到发生器发射出的超声波信号(这样就可以在不损伤被检测样品的前提 下，检测出样品内部有无缺陷，这种方法叫做超声波探伤( 3(在工业上用超声波清洗零件上的污垢(在放有物品的清洗液中通入超声 波，清洗液的剧烈振动冲击物品上的污垢，能够很快清洗干净( (三)声在军事上的应用 1(现代的无线电定位器——雷达，就是仿照蝙蝠的超声波定位系统制 造的( 很多动物都有完善的发射和接收超声波的器官(蝙蝠通常只在夜间出来觅食、活动，但它们从来不会撞到墙壁、树枝上，并且能以很高的精确度确认目标(它们的这些“绝技”靠的是什么,原来蝙蝠在飞行时会发出超声波，这些声波碰到墙壁或昆虫时会反射回来，根据回声到来的方位和时间，蝙蝠可以确定目标的位 置和距离( 2(声纳 根据回声定位的原理，科学家们发明了“声纳”，利用声纳系统，人们可以 探测海洋的深度、海底的地形特征等( (四)声在生活中的应用 1(超声波加湿器 理论研究表明:在振幅相同的条件下，一个物体振动的能量跟振动频率的二次方成正比(超声波在介质中传播时，介质质点振动的频率很高，因而能量很大(在我国北方干燥的冬季，如果把超声波通入水罐中，剧烈的振动会使罐中的水破碎成许多小雾滴，再用小风扇把雾滴吹入室内，就可以增加室内空气的湿 度(这就是超声波加湿器的原理( 2(我们在生活中利用声音获得信息(例如人们交谈、听广播、听录音等， 声音是我们获取信息的主要渠道( 三、小结 本节课我们主要学习了以下内容: 1(声在医疗上的应用 2(声在工业上的应用 3(声在军事上的应用 4(声在生活中的应用 四、布置作业 1(小结本章的内容( 2(学过声现象这一章知识后，请结合学过的知识，再加上你丰富的想象， 写一篇“无声的世界”或类似目的科学作文( 3(查阅资料或访问网站，了解声在生活、生产和科技中的应用( 五、板书设计 六、课后练习 1(声不仅能传递____，也能传递____( 2(利用声纳可以测量海水的深度，由声纳的发射器从海面向海底发出超声 波，测出从发出超声波到接收到超声波共用的时间为6 s,则海水有多深,(海 水中的声速为1497 m/s) 3(超声波加湿器应用了超声波____的特点((填“高能量”或“沿直线传 播”) ,参考答案, 1(信息;能量 2(4491 m 3(高能量 ?活动与探究 ,课题,测定声音在铁中的声速 ,内容,学校大操场主席台的边缘有一根中空的长铁管，现备有秒表、皮卷 尺，铁锤，请同学们利用上述仪器测出声音在铁中的声速( ,过程, 1(介绍秒表的使用和读数 (1)用秒表测量时间可准确到0.1 s( (2)秒表的端钮可以用来上发条，也可用来开动和停止表的行走机构(使 用前，表针都应停在零刻度( (3)一般的秒表第一次按下端钮时，指针开始运动;第二次按下端钮时， 指针停止运动;第三次按下端钮时，指针复位到零刻度( (4)秒表的外形如图所示(秒表的长针为秒针，转一周是30 s，转2周为 1 min(位于秒表上部中间的小圆圈里的短针是分针，走一圈为15 min，每小格 为0.5 min( 图中秒表的读数为70.9 s((:因为机械表采用齿轮传动，指针不可 能停留在两小格之间，故不能估读出比0.1 s更短的时间) 2(测量原理 用皮卷尺测出铁管的长度l，在铁管一端用铁锤打击一下，在另一端听到两 次响声，用秒表测出两次响声相隔的时间t，就可以计算出声音在铁中的速度(计 算方法如下: l v1设声音在铁中的传播速度为v,则声音在铁中的传播时间为t=;声音在11 l v2空气中的传播速度为v,则声音在空气中的传播时间为t=，两次响声相隔的22 时间为t( ll vv21则t=- vl2 l,vt2解得v= 1 所以只要用刻度尺测出铁管的长度l，用秒表测出两次响声的时间间隔t， 就可以计算出声音在铁中的声速( 3(分组操作 数据记录: l=78 m(铁管长) v=340 m/s(声音在空气中的速度) 2 t=0.2 s(两次响声的时间间隔) ,结果, vl2 l,vt2将数据代入v=中，解得声音在铁中的声速为 1 3v=2.65×10 m/s 1 ?备课资料 1(超声和我们 世界因为有了声音而充满了欢乐(我们平常听到的各种声音只是声音世界中的一部分，范围在20 Hz至20000 Hz之间，而20000 Hz以上的声音是超声，尽 管听不到，却很有意义( 蝙蝠就非常善于使用超声(它们用喉头发出20 kHz至120 kHz之间的超声啾鸣，用耳朵接收障碍物的反射回波，以这个回波来判断猎物的距离、方位、形 状和速度(那份灵巧和精确让人瞠目( 模仿蝙蝠使用超声的道理，人类发明了声纳这种装在船只及潜艇上的装置(靠超声在水中传播时碰到物体产生回波，来测定距离，确定位置，能发现对 手，或保证航行安全( 现代人靠自己的智慧与创造力，将超声和我们的生活联系在一起(医院里的B超检查是通过医生手中的探头将一束脉冲超声垂直发射于人体内(超声在体内传播时，碰到人体组织有分界面或不均匀处就会反射回来，使医务人员清楚地了解人体内部器官的健康状况，诊断疾病(工业生产中的超声无损检测也是利用的 同一原理(尽早发现零件的缺陷，保证产品质量( 超声不仅是信息的载体，还是一种能量形式，在传播时可以进行能量的转换(超声波加湿器就是一个很简单的例子(它的关键部件是压电陶瓷，通电之后，把高频电转化为超声，使很强的超声波从下方发出(在水面的局部小区域内，声能转化为机械能，引发起强大的机械力，把水“打碎”，并喷射出来，形成水雾， 加湿空气( 利用超声的机械能量加工的地方还有许多，超声清洗是最普通的一种(把表面生锈和沾有脏污的物体浸泡在水一类的清洗液中，送入一定量的超声，使污物从工件表面脱落下来(金银珠宝佩戴久了，失去光泽，变的难以入目，化学清洗 会损伤饰物的表面，而超声清洗可以整旧如新取得理想的效果( 现代科学技术的不断发展，使超声介入到电子等新领域(超声悬浮是借助超声产生的强大声场将颗粒或液滴托起，在密闭装置内进行实验，保持超纯度，超精度(超声马达是利用压电陶瓷把电信号转化成超声振动，产生一定的力，带动马达工作，平稳、速度可调、不怕磁干扰，小的可用于相机的变焦镜头，大的甚至可以代替现有的汽车马达(超声焊接是利用超声的高频振动，把两个不同的物体连在一起，因为它基本不发热、不变形，在微电子工业中用来焊接集成电路芯片，尤其是它能焊接某些特殊的稀有金属，在核工业、空间技术等领域可以开发更多的用途(虽然，在超声的众多用途中，有些还只是一个梦，但经过科学家们 不倦的开发研究，它终究会变成美好的现实( 2(回声、混响和建筑声学 各种波在传播过程中如果遇到大的障碍物，都会发生反射，声波也是这样(同学们都有这样的经验，春游时对着大山喊一声，过一会儿能够听到回声(知道了声速就可以根据回声到来的时间测出人和山的距离(打雷时听到的隆隆声可以持 续很久，原因之一就是声波在地面、云层以及山谷之间发生了多次反射( 声波遇到普通房间的墙壁、地面、天花板也会反射，但是由于回声和原声几乎同时到达，而会感到声音比在野外时大些;同时由于墙壁、地面、天花板对声波的多次反射，当声源停止发声后，声音要经过一段时间才会消失(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(对演讲厅来说，混响时间不能太长(我们平时讲话，每秒大约发出2至3个音节，如果混响时间太长，发出下一个音节的时候上一个音节的声音还很强，那就不容易听清楚(混响时间也不能太短，太短了听起来声音太小，就像在旷野里说话，同样听不清(北京科学会堂有一个会议厅，坐满人时实测的 回响时间是1s( 音乐厅的最佳回响时间要比会议厅长些，不过也不完全一样(上演轻音乐时，混响时间要短些，这样能使节奏更为鲜明，交响乐的混响时间可以长些，听起来更加混厚有力(北京的首都剧场，坐满观众时的混响时间是1.36 s，空的时候3.3 s，这是因为满座时人的衣服、皮肤等吸声表面增大，所以混响时间缩短( 高级的音乐厅或剧场，为了不同的要求，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(在大厅墙壁上嵌入一组可以转动的圆柱体，柱面的一半是反射面，吸声能力弱;另一半是吸声面，对声波的吸收能力很强(把反射面转到厅堂内部，混响时间增加;把吸声面转到厅堂内部，混响时间变短(有的剧场坐椅的下表面也是软的，没有坐的时候椅面翻起，软面朝向舞台，能够增加 吸声的表面，这样可以避免观众较少时混响时间过长( 高水平的音乐会都不使用扩音设备，目的是使观众直接听到舞台上的声音，完整地体会演员所表达的情感(为了让全场观众都能清楚地听到较强的声音，音乐厅的天花板上挂着许多反射板(这些反射板的大小、角度和安放位置都经过精确设计，能把舞台上的声音反射到大厅的各个角落(处理各种建筑物的声学特性， 取得好的声音效果，这门学问叫做建筑声学( 3(彩色多普勒B超 自从超声影像诊断技术问世以来，B超已成为医院内科临床诊断的重要手段之一(它实现了对人体内脏的实时二维成像，使病人的内脏疾病能得到较为准确的诊断和及时治疗(然而，由于B超显示的图像，相对来说，信息量太少，质量也不高，具有一定的局限性，因而对一些疑难病症的图像诊断，往往模糊不清， 直接影响了诊断效果( 随着科学技术的进步和飞速发展，80年代初，彩色超声多普勒血流成像系统被研究出来(它的出现被医学界称为是超声影像诊断设备方面的一次飞跃(80年代中后期，我国的科技工作者追踪世界先进技术，经过多年孜孜不倦的努力和刻苦钻研，终于在彩超研究上取得重大突破(由深圳安科公司设计研制的国内首台彩色多普勒血流成像系统，打破了该领域内只有少数几个国家垄断的局面，使 我国进入世界医学彩色超声诊断系统的领先行列( 彩色超声多普勒血流成像系统简称彩超，它结构复杂，主要包括探头、超声波发射电路、接收电路、信号处理显示部分和记录部分等组成，其工作原理是根 据多普勒原理设计的(那么，什么是多普勒原理呢,当发射频率方和接收频率方之间存在相对运动时，接收方所接收的频率就会由于运动的影响而改变(医生在诊断中利用探头发射超声波，血管中的血细胞反射超声回波(由于血细胞处于运动状态，其反射超声回波的频率会发生一些变化，由于利用了多普勒技术，医生就可以根据这种变化检测出血流的方向和速度的大小，实时逼真地了解心脏与血管的血流状态，提供丰富的血流动力学信息(从而对受检对象得出较为满意的诊断，使B超技术和多普勒技术完美地结合在了一起，解决了许多黑白B超不能完 成的难题( 与普通超声波系统相比，彩色多普勒血流成像系统，不但可以获取血流运动图像，而且图像质量有着很大的提高(器官影像更加清晰，分辨率更高，使人们能无创伤地观察心脏及大血管的内部结构、形态和运动状况(通过各种特定的探头可以检测到更多器官的病理状态，测量、功能更加完备(一些疑难病症基 本上都逃不过它的“火眼金睛”，使彩超成为医生的得力助手( 彩色超声多普勒血流成像系统的核心在于能实时地反映血流动态，因而其应用范围很广，除做普通的二维成像外，主要用于心脏血流的检测，对心脏、肝脏、心血管、肾脏等实质性器官及妇产科疾病的诊断有着重要意义(此外，还可以用于外科进行手术及介入性治疗(彩超的普遍应用开辟了影像诊断技术的新天地，为千百万患者带来希望(我们相信彩色超声多普勒血流彩超诊断技术将为维护人 类的健康发挥更大的作用( 4(次声波 次声波又称亚声波，它是一种频率低于人的可听声波频率范围的声波(次声-4波的频率范围大致为10 Hz~20 Hz( 次声波产生的声源是相当广泛的，现在人们已经知道的次声源有:火山爆发、坠入大气层中的流星、极光、地震、海啸、台风、雷暴、龙卷风、电离层扰动，等等(利用人工的方法也能产生次声波，例如核爆炸、火箭发射、化学爆炸，等 等( 由于次声波的频率很低，因而它显示出了种种奇特的性质(其中，最显著的 特点是传播的距离远，而且不容易被吸收( 我们知道，声音在大气层中的衰减，主要是由分子吸收、热传导和粘滞效应所引起的，相应的吸收系数与声波频率的二次方成正比(由于次声波的频率很低，所以在传播过程中大气对它的吸收系数很小(例如，空气对频率为0.1Hz的次声波的吸收系数大约是对频率为1000Hz的声波吸收系数的一亿分之一(由于次声波不容易被吸收，所以它的传播距离就很远(1883年8月27日印度尼西亚的喀拉喀托火山爆发时，它所产生的次声波围绕地球转了三圈，传播了十几万千米(当时，人们利用简单的微气压计曾记录到它(次声波不但“跑”得远，而且它的速度大于风暴传播的速度，所以它就成了海洋风暴来临的前奏曲，人们可以利用次 声波来预报风暴的来临( 次声波的应用从20世纪50年代开始，并逐渐广泛地被人们所重视(次声波 的应用前景大致有这样几个方面: (1)通过研究自然现象所产生的次声波的特性和产生的机理，更深入地研究和认识这些自然现象的特征与规律(例如，利用极光所产生的次声波，可以研 究极光活动的规律( (2)利用所接收到的被测声源产生的次声波，可以探测声源的位置、大小和研究其他特性(例如，通过接收核爆炸、火箭发射或者台风产生的次声波，来 探测出这些次声源的有关参量( (3)预测自然灾害性事件(许多灾害性的自然现象，如火山爆发、龙卷风、雷暴、台风等，在发生之前可能会辐射出次声波，人们就有可能利用这些前兆现 象来预测和预报这些灾害性自然事件的发生( (4)次声波在大气层中传播时，很容易受到大气介质的影响，它与大气层中的风和温度分布等因素有着密切的联系(因此，可以通过测定自然或人工产生的次声波在大气中的传播特性，探测出某些大规模气象的性质和规律(这种方法 的优点在于可以对大范围大气进行连续不断的探测和监视( (5)通过测定次声波与大气中其他波动的相互作用的结果，探测这些活动特性(例如，在电离层中次声波的作用使电波传播受到行进性干扰，可以通过测 定次声波的特性，进一步揭示电离层扰动的规律( (6)人和其他生物不仅能够对次声波产生某些反应，而且他(或它)们的某些器官也会发出微弱的次声波(因此，可以利用测定这些次声波的特性来了解 人体或其他生物相应器官的活动情况(