纸杯传话的科学原理

纸杯传话的科学原理

一.声音的定义
声音乃是一种经由各种适合物质而为人类和动物可以感到的振动.
二.声音的产生
声音的产生来自於物体的振动,而物体停止振动,声音就会消失.声音的产生,是因为物体振动的关系,如果一切都是静止的,那麼也就不会有声音了.打鼓的鼓声起因於鼓面的振动,而人的声音则是因为声带振动的关系,可以把手放在喉咙上,发出「啊～」的声音,你就可以感受到声带的振动.
＊生活小体验
(1)说话或唱歌时,手轻按喉头周围,感觉声带中振动.类似的经验如音乐播放时,手轻摸音箱,感觉振动.或打响一面鼓,再用手接住鼓面会得到发麻的感觉.
(2)翻修马路,气钻机开动时,除了巨大声响外,四周邻近门窗是否也受震作响.
(3)打开水龙头,水滴入水面时,发出声音,也看见水波.
三.声音的传播
物体振动会产生一种波,我们把它叫做「声波」.发声体产生振动后,使旁边的空气被挤压,被挤压的空气再挤压旁边的空气,声音就这样靠著空气的振动,波浪似地传递.直到振动传到耳中,引发鼓膜振动,耳中的神经再将振动传给大脑,使我们可以察觉到声音的存在.
四.介质的传递
传播声波的介质,可以是空气传递声音之外,液体（像水）、固体（像木材、玻璃、钢铁）等等,也都是声音的介质,声波一定要有介质才能传递出去,像月球表面几乎是真空状态,太空人除非利用对讲机,否则是听不见别人的声音的.而且因为液体、固体的分子排列得较紧密,因此传递声音的速度都比空气来得快!声音在水中的速度大约是在空气中的五倍,在钢中则比空气中快上将近二十倍.所以当我们还看不到、听不见远方驶来的火车时,如果把耳朵贴著铁轨,却可以听见火车的隆隆声,就是因为铁轨传声比空气快得多的缘故.
＊生活小体验
(1)趴在桌上,让耳朵紧贴於桌面,用笔或尺等硬物轻轻敲打桌面,可以听到物体撞击桌面的声音.
(2)拿一只金属棒,一端顶住闹钟,另一端则贴於耳边,可听见"滴答滴答" 的声音.
3)夏天在游泳池游泳,闭气后将头闷入水中,仍可听到池畔岸上人说话的声音.
(4)若二人同在水中,一人手持二石块互敲,另一人也会听到击石声.
(5)医生为病人看病时,利用听诊器来了解病人心、肺跳动的情形.
五.声音的反射—回声
由於声音在不同介质中,传播的速度不同,因而产生了声音的反射与折射现象.反射 声波在行进中遇到障碍物,无法穿越而返回原介质的现象,称为反射,这种声波反射现象也称为回音.
＊生活小体验
(1)在空屋内说话,会听到嗡嗡的声音,这是人说话产生的声波,在室内来回反射互相影响造成的.
(2)露天音乐台的设计,便是让演奏产生的声音,藉由后方墙面（抛物面 ）、的反射,集中传往台前观众席.
(3)扩音器的话筒,或利用双手在嘴边围成喇叭状向远处喊话,也都是利用声音的反射来集中声音向前传播.
六.消除回声干扰的方法
礼堂或音乐厅常举办演讲或音乐会,为了能容纳更多人,礼堂或音乐厅通常比你的教室大好几倍.空间变大,就容易产生回声,而回声会干扰演讲者或演奏者美妙的原声.你是否观察过礼堂或音乐厅用了什麼构造及布置来消除回声的干扰?
以音乐厅为例,它的四周墙上常是柔软的物质或多孔的吸音板,如此可以直接防止声音的反射,减少回声；在地上铺地毯、椅子坐垫背面有许多窟窿可吸收人走路时产生的杂音；有时候你还会看到它的墙壁及天花板是凹凸不平的,这是使反射的声音分散掉,使观众只听到原声,听不到反射的回声.
七.声音的速度
在空气中,声音每秒大约传播340公尺.如果你的学校操场跑道是200公尺,那麼声音在空气中一秒钟大约可跑操场两圈.声音传播的快慢因为介质不同而有所不同,一般而言,声音在介质中传播的速率是：固体＞液体＞气体.所以会先从地上听到远方传来的声音,接著才从空气中听到声音.当远方的天空产生闪电,因为光的速度很快（一秒钟可绕地球七圈半）,在地球上任一处天空发生的闪电,其光线在人眼无法计算的时间内就传遍地球上它所能到达的角落.也因为光的速度如此快,所以当你看到闪电时,就是实际上闪电在天空中产生的同时,而且各地方都会同时看到这道闪电.然而,声音却不是如此!声速比光速慢了许多,声音一秒钟只能跑操场一至二圈,所以看到闪电后,依照各地方与闪电的距离远近不同,雷声依次到达,人们因而在不同时间听见雷声.
八.声音三要素
声音除了有高低之外,还有强弱与音色的差别.一般我们把声音的高低（音调）、强弱（响度）、音色,称为声音三要素.
（1）声音的高低由振动的频率决定,频率越高,声音就越尖锐.所以,女孩子的发声频率通常就比男孩子来得高.
（2）声音的强弱,由声波的振动幅度（振幅）来决定,振幅越大,表示声波的能量越高,因此声音也就越大声.一般我们用分贝（dB）来表示声音的响度.
（3）音色的差别.同样是A（La）这个音,以小提琴拉奏和以钢琴弹奏,听起来是不是感觉不一样呢?这两种乐器所演奏出来的声音的差异,就在於音色上的不同,而音色决定於声波的波形.以下图的波形来看,就可以发现两者有明显的差别.