科學：小學教師指南/聲音
當材料振動時，就會產生聲音。聲波中的能量可以從一種物質傳遞到另一種物質。當振動物體向前運動並推動物質時，空氣分子會被擠壓在一起。壓縮是指分子被擠壓在一起。稀疏是指分子被分散開。一個壓縮和一個稀疏一起構成波長。
- 聲音的特徵
聲音在液體中的傳播速度比在氣體中快，在固體中傳播速度更快。物質中分子越緊密，聲音在其中傳播的速度就越快。聲速與頻率無關。
- 聲音以縱波的形式傳播。
- 聲波有頻率；聲音的音高升高或降低。
- 聲音的振幅決定了它的音量。
- 音調是衡量聲波質量的指標。
聲音以振動的形式透過空氣傳播。這些振動導致空氣粒子壓縮在一起，這導致它們周圍的空氣以波的形式從聲源處移動。
聲音傳播的方式是基礎科學中經常討論的話題，尤其是針對幼兒。許多孩子可以輕鬆地識別聲音的來源，並理解耳朵是如何探測聲音的，但難以理解兩者之間的過程。
就像光一樣，聲音也以振動的空氣分子引起的波的形式傳播。如果敲擊鼓，鼓周圍的空氣分子就會振動，這些振動反過來會導致稍微遠一點的空氣分子振動。這個過程會不斷重複，直到振動減弱，聲音開始消散。
一個簡單的彈簧玩具是一個極好的工具，可以用來向正在萌芽的科學家演示聲波是如何工作的。將彈簧玩具拉伸到桌子上，快速推動一端，就可以說明壓縮會導致空氣粒子聚集在一起，因為波沿著彈簧傳播。代表空氣分子的彈簧部分沒有移動，只是振動，而波明顯地反彈到被推動的端點，代表回聲。
多普勒效應是指當聲源和觀察者相互靠近或遠離時，聲音、光或其他波的頻率增加（或減少）的現象。這種效應會導致警笛經過時聽到的音調突然變化，以及天文學家觀察到的紅移。天文學家利用多普勒頻移來精確計算恆星和其他天體以多快的速度靠近或遠離地球。例如，在遙遠星系中，氫氣發出的光譜線通常被觀察到有相當大的紅移。
多普勒效應可以描述為移動的波源產生的效應，對於聲源正在靠近的觀察者，其頻率出現明顯的升高，而對於聲源正在遠離的觀察者，其頻率出現明顯的降低。需要注意的是，這種效應並非由於聲源頻率的實際變化而產生。多普勒效應可以觀察到任何型別的波——水波、聲波、光波等。我們最熟悉多普勒效應，因為我們有與聲波相關的經驗。也許您還記得警車或救護車在高速公路上朝您駛來時的情況。當汽車帶著警笛朝您駛來時，警笛聲的音調（衡量警笛頻率的指標）很高；然後汽車經過後，警笛聲的音調突然降低了。這就是多普勒效應——移動聲源產生的聲波頻率的明顯變化。
假設在一個圓形水坑的中心有一隻快樂的蟲子。這隻蟲子週期性地搖動著它的腿，以便產生透過水傳播的擾動。如果這些擾動起源於一個點，那麼它們將從該點向所有方向傳播出去。由於每個擾動都在同一個介質中傳播，因此它們將以相同的速度向所有方向傳播。這些圓圈將以相同的頻率到達水坑的邊緣。位於 A 點（水坑的左邊緣）的觀察者會觀察到擾動以與位於 B 點（水坑的右邊緣）的觀察者相同的頻率撞擊水坑的邊緣。事實上，擾動到達水坑邊緣的頻率將與蟲子產生擾動的頻率相同。如果蟲子每秒產生 2 次擾動，那麼每個觀察者都會觀察到它們以每秒 2 次的頻率接近。
音爆
音爆是一種與物體以超音速穿過空氣時產生的衝擊波相關的音調。音爆會產生大量的聲能，聽起來非常像爆炸。超音速子彈從頭頂飛過時發出的爆裂聲就是一個微型的音爆例子。
如果船的速度超過水波的傳播速度，那麼這些波就無法及時“避開”船，從而形成尾波。尾波是一個更大的單波。它是由原本會在船前方擴散但無法擴散的小波形成的。
當飛機在空中飛行時，它會產生聲波。如果飛機的速度低於聲速（聲速是變化的，但在空氣中典型值為 700 英里/小時），那麼聲波可以在飛機前方傳播。如果飛機突破音障，飛行速度超過聲速，那麼它經過時就會產生音爆。音爆是飛機聲波的“尾波”。所有原本會從飛機前方傳播的聲波都會合並在一起，所以首先你什麼也聽不到，然後你就會聽到它們產生的音爆。
這就像你在平靜的湖邊，一艘船從你身邊飛馳而過。船經過時，水面沒有受到任何干擾，但最終，一個來自尾波的大波湧上岸。當飛機以超音速飛行時，也會發生完全相同的事情，只不過你不是聽到來自尾波的大波，而是聽到音爆。
共振和強迫振動
- 共振：所有物體都有一個自然振動頻率。因此，一個物體以另一個物體的自然頻率振動而形成的聲波，可以導致第二個物體振動，而無需物理接觸。
- 強迫振動：一個振動物體由於與另一個物體物理接觸而導致另一個物體振動。
聲速
聲速取決於波傳播的介質，是材料的基本性質。牛頓首次對聲速進行了有意義的測量。他認為，聲音在特定物質中的速度等於作用在它上的壓力的平方根（STP）除以它的密度。
- 海平面上的聲速相當於 340.29 米/秒，在 20 攝氏度的乾燥空氣中，聲速為 343 米/秒，2.9 公里，4.69 英里。
- 聲速會因大氣條件而異，其中最重要的因素是溫度。
聲音感知
“聲音”一詞與物理學中的用法不同，在生理學和心理學中，它指的是大腦感知的主題。心理聲學領域專門研究這類問題。從歷史上看，“聲音”一詞專門指代心理上的效應。這意味著（至少在 1947 年），對於“如果一棵樹在森林裡倒了，但沒有人聽到它倒下，它會發出聲音嗎？”這個問題的正確答案是“不”。然而，由於當代的用法，大多數字典中都普遍存在將聲音定義為物理效應的定義。因此，對同一個問題的答案（見上文）現在是“是的，一棵樹在森林裡倒了，但沒有人聽到它倒下，它會發出聲音”。任何有聽覺的生物對聲音的物理接收僅限於一定頻率範圍。人類通常能聽到大約 20 赫茲到 20,000 赫茲（20 千赫茲）的聲波頻率。上限隨著年齡的增長而降低。有時聲音只指那些頻率在人類聽覺範圍內振動的聲音，或者有時它與特定動物有關。其他物種有不同的聽覺範圍。例如，狗可以感知高於 20 千赫茲的振動，但在 40 赫茲以下則聽不見。
聲音的特徵
聲音在音調、強度和音色上有所不同。音調是指人們聽到的聲音的高低。頻率是指每秒的振動次數，音調隨頻率變化
- 任何物體振動都會產生聲音。
- 音調是指聲音聽起來的高低。
- 頻率高於人類聽覺範圍的聲音被稱為超聲波。
- 強度是指聲音的大小。
- 振幅可以透過移動更多空氣來使聲音更大。
- 多普勒效應是指波在運動方向上被壓縮，並在運動方向上變長。
- 超聲波是超出了人類聽覺範圍的聲波，只能用機器聽到。
- 稀疏是指分子分散開的地方。
- 壓縮是指分子聚集在一起的地方。
- 聲音測量是用分貝來測量的。
- 關於音調，基音是最低頻率，泛音是其他高頻率的音調。
- 聲納：聲波導航和測距
- 聲波被髮出，反射的波被分析。
- 超聲波：類似於聲納，但聲波超出了人類聽覺的範圍。
- 靜電麥克風：由於其易於縮小尺寸，在寬頻率範圍內具有平坦的頻率響應，並且提供顯著的高穩定性，因此經常用於測量。
NIHL 也會由極其響亮的爆裂聲（例如槍聲或爆炸聲）引起，這些聲音會導致耳膜破裂或損傷中耳的骨骼。這種型別的 NIHL 可能是立即且永久性的。噪音暴露也會引起耳鳴——耳朵或頭部有耳鳴、嗡嗡聲或轟鳴聲。
- 損害了用來探測它的器官。
- 暴露在非常響亮的聲音中會損害聽覺。
- 取決於耳朵離聲音的距離、聲音的大小、持續時間以及耳朵接觸聲音的頻率。
什麼是音樂，它只是噪音還是藝術？並非每個人都喜歡相同的音樂或相同的噪音，但這兩件事的共同點是它們都是聲音。有些人認為噪音只是令人不愉快的聲音，而另一些人可能說對他們來說，噪音是“美妙的音樂”。由於今天我們擁有電子裝置，我們幾乎可以將聲音融入任何事物。令人驚奇的是，音樂的基礎通常分為三類：絃樂、管樂和打擊樂。這三類是傳統的音樂工具，沒有任何跡象表明它們會被任何新技術取代。
絃樂：基本上是指弦的振動被傳遞到共鳴板，然後傳遞到空氣中。一些絃樂的例子包括小提琴、大提琴、吉他、豎琴，甚至鋼琴，還有很多其他的，但這些是最常見的。
管樂：更多的是指在樂器一端的孔附近吹氣流，樂器內部的氣柱就會振動。一些管樂的例子包括短笛和長笛。有一種方法是將空氣吹入吹口，吹口被稱為簧片，然後簧片振動，使氣柱振動，從而發出聲音。
打擊樂：響板、木塊、鈴鐺和風鈴被歸類為打擊樂。原因是敲擊表面以產生聲音。這些樂器通常由實心材料製成，例如木材和金屬。這些樂器在被手、槌或其他物體敲擊時會振動。
銅管樂器
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世界上許多最重要的流派，包括爵士樂和管絃樂，如果沒有銅管樂器是不可能實現的。無論您是剛接觸銅管樂器世界，還是對銅管樂器有一些瞭解，這份實用的指南將解釋不同型別銅管樂器的區別。
這些銅管樂器中的一些是小號、短號、軍號、法國號、大號和長號。所有這些樂器都以銅管樂器命名，因為它們都是用黃銅製成的。樂器內部的氣柱透過將嘴唇壓在金屬吹口上並吹入吹口時使嘴唇振動來使氣柱振動。對於大多數銅管樂器來說，氣柱的長度透過按下和釋放閥門來改變，這會新增或刪除空氣流過的管段。這些銅管樂器中的一些沒有閥門來改變振動氣柱的長度。
電子樂器
電子樂器與傳統樂器有很大不同。它們使用電子裝置在揚聲器中產生振動。電子樂器，指任何透過電氣，通常是電子，方式產生或改變聲音的樂器。這種音樂中的電子元素由作曲家決定，聲音本身是透過電子方式產生或改變的。諸如電吉他之類的樂器，它們透過聲學或機械方式產生聲音，但透過電氣或電子方式放大聲音，也被認為是電子樂器。然而，它們的構造和產生的聲音通常與它們的非電子對應物相當類似。
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所有人類都有一個被稱為喉部的“聲帶”，它有兩條薄而強壯的組織帶，上面伸展著組織。我們也有褶皺，或者像我們通常知道的聲帶。男性的聲帶往往比女性更厚。當你呼吸時，空氣會透過你的聲帶。此外，聲帶上有肌肉連線，使你能夠收緊它們。當你這樣做，並用力將空氣吹過它們時，這會導致聲帶振動，就像橡膠帶在氣流中振動一樣，從而產生聲音。
一個完美的例子是，當一個人哼唱時，當你將一根手指放在喉嚨裡哼唱時，你可以感覺到振動。男性的聲音通常比女性的聲音低，而且聲音也多種多樣，有高有低。聲音的音質受許多因素的影響，例如喉嚨、口腔和鼻子的氣道。嘴唇、舌頭和牙齒的位置和形狀，以及竇腔的形狀和狀況，竇腔起著共鳴腔的作用。
有很多課堂實驗可以進行，這些實驗都與聲音有關。以下是一些教師可以用來幫助孩子們更多地瞭解聲音並教育他們有關聲音實驗的影片和活動，這些實驗在課堂環境中似乎有趣且有趣。它還可以幫助學生了解聲音是如何產生的。
https://www.youtube.com/watch?v=7VGlBZOywIg
https://www.youtube.com/watch?v=BoeDI-YkzI0
https://www.youtube.com/watch?v=37csXse35YQ
https://www.scholastic.com/teachers/articles/teaching-content/science-sound/
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