科學：小學教師指南/波、光和聲
機械波和電磁波是能量在我們周圍世界中傳播的兩種重要方式。水波和空氣中的聲波是機械波的兩個例子。機械波是由物質中的擾動或振動引起的，無論物質是固體、氣體、液體還是等離子體。波傳播的物質被稱為介質。水波是由液體中的振動形成的，聲波是由氣體（空氣）中的振動形成的。這些機械波透過使分子相互碰撞而穿過介質傳播。聲波不能在太空真空傳播，因為沒有介質來傳播這些機械波。
什麼是光？ - 它是一種波。它最基本的形式是能量。波長可能是光最單一和最重要的特徵，因為光的能量與其波長相關聯。波長較短的光能量更大，波長較長的光能量更小。
什麼是光譜？ - 它是一種顏色的分佈：橙色、黃色、綠色和藍色中間波長。
- 電磁波 - 其他
- 伽馬射線
- X射線
- 紅外線
- 無線電波
- 電磁波的速度
- 300,000 公里/秒 = 186,000 英里/秒。
- 每種型別的電磁波都有其自身的
- 波長
- 波從波峰到波峰或從波谷到波谷的距離。
- 頻率
- 每秒透過某一點的波數，或每秒的振動次數
- 短波長
- 長波長
- 波長和頻率之間的反比關係
- 速度 = 波長 * 頻率
>波長增加 --> 頻率降低
>波長減少 --> 頻率增加
要看到任何不發出自身光的物體，必須滿足三個條件:
- 必須有光源
- 光必須照射到物體上
- 光必須反射到你的眼睛
反射光總是以與它撞擊表面的相同角度離開反射表面。入射角 = 反射角。例如，你可以想象一個彈跳的球。如果一個人把球直直地扔下去，它就會直直地彈回來。如果你以一個角度把它彈起來，它會以一個角度彈起來。在小學，你可能會看到這種現象在孩子們玩耍時出現，因為孩子們會彈球。
入射角 - 你扔球的角度 反射角 - 球彈起的角度
這兩個角度永遠相等。
當光波或聲波等任何波從一種介質進入另一種密度不同的介質時，它會發生彎曲。
- 當光線穿過密度更大的物質時，它們會向內彎曲
- 當光線穿過密度更小的物質時，它們會向外彎曲
兩種型別的透鏡
- 凸透鏡：影像通常更大
- 凹透鏡：影像總是更小
當光線穿過透鏡時，它們總是彎向透鏡最厚的部分。
當光線照射到任何物體上時，光線可以
- 穿過
- 被反射
- 被吸收並轉化為熱量
透明材料
- 透明且允許所有或大部分光線透過，很少被吸收或反射
例如：空氣、透明玻璃、清水
半透明材料
- 反射和吸收一些光，但允許大部分光線透過
例如：浴室使用的磨砂玻璃或塑膠
不透明材料
- 不允許任何光線透過，所有能量都被吸收或反射並轉化為熱量。
例如：書、木頭、車門
影子是光源的光線被不透明物體擋住的黑暗區域。它佔據了物體前面有光的情況下物體後面所有三維空間。影子的橫截面是一個二維輪廓或一個遮擋光的物體的反向投影。
點光源和非點光源
點光源只投射簡單的影子，稱為“本影”。對於非點光源或“擴充套件光源”，影子分為本影、半影和偽本影。光源越寬，影子就越扭曲。如果兩個半影重疊，影子似乎會吸引並連線起來。這被稱為影子水泡效應。
可以透過追蹤擴充套件光源最外端區域釋放的光線來找到影子區域的輪廓。本影區域接收不到來自光源任何部分的直接光線，是最黑暗的區域。位於本影區域的觀察者無法直接看到光源的任何部分。
相反，半影被光源的某些部分照亮，使其具有半亮度。位於半影區域的觀察者會看到光源，但它被投射影子的物體部分遮擋。
如果有多個光源，就會有多個影子，重疊的部分更暗，亮度或顏色也有各種組合。照明越漫射，影子輪廓就越柔和，越模糊，直到消失。陰天產生的照明幾乎沒有可見的影子。
太空真空中缺乏漫射的大氣效應會產生平淡且由高對比度邊界（高亮度和黑暗之間）定義的影子。
對於接觸影子投射表面的物體或人（例如站在地面上的人或地上的杆子），影子會在接觸點匯聚。
影子除了扭曲之外，還顯示與從太陽一側觀察物體時的輪廓相同的影像，因此從另一側看到的輪廓的映象。
本影（拉丁語為“影子”）是影子的最內層和最黑暗的部分，光源完全被遮擋物體遮擋。例如，不透明物體不透光。位於本影中的觀察者會經歷日全食。圓形物體遮擋圓形光源的本影會形成一個直角圓錐；對於位於錐體頂點的觀察者來說，兩個物體的視大小相等。月球到其本影頂點的距離大致等於月球到地球的距離。由於地球比月球寬 3.7 倍，因此它的本影延伸得更遠，大約 140 萬公里。
半影（源於拉丁語paene，“幾乎，差不多”）是指只有部分光源被遮擋物遮擋的區域。處於半影中的觀察者會經歷部分日食。另一種定義是，半影是指部分或全部光源被遮擋的區域（即本影是半影的子集）。例如，美國宇航局的導航和輔助資訊設施定義了處於本影中的物體也位於半影內。
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偽本影（源於拉丁語ante，“之前”）是指遮擋物完全包含在光源圓盤內的區域。處於該區域的觀察者會經歷環形日食，在這種日食中，在遮擋物周圍可以看到一個明亮的光環。如果觀察者更靠近光源，遮擋物的表觀尺寸會增加，直到它導致一個完整的本影。
當材料振動時會產生聲音。聲波中的能量可以從一種物質傳遞到另一種物質。當振動物體向前移動並推動空氣分子時，空氣分子會相互擠壓。壓縮是指分子相互擠壓。稀疏是指分子擴散。一個壓縮和一個稀疏一起構成了波長。
- 聲音的特徵
聲音在液體中的傳播速度比在氣體中快，在固體中的傳播速度更快。物質中的分子越緊密，聲音在該物質中的傳播速度越快。聲速與它的頻率無關。
聲音以振動的形式透過空氣傳播。這些振動導致空氣顆粒相互壓縮，這會導致它們周圍的空氣以波浪的形式從聲源處移動。
聲音傳播的方式是兒童基礎科學中經常討論的話題。許多孩子可以很容易地識別出聲音的來源並理解耳朵是如何檢測到聲音的，但他們難以理解兩者之間的過程。就像光一樣，聲音以由振動的空氣分子引起的波的形式傳播。如果敲擊鼓，鼓周圍的空氣分子會振動，這些振動會導致更遠一點的空氣分子依次振動。這個過程會重複，直到振動減弱，聲音開始消散。一個簡單的彈簧玩具非常適合向正在學習的科學家演示聲波是如何工作的。將一個彈簧玩具拉伸到桌子上並快速推動一端，就能說明壓縮是如何導致空氣顆粒聚集在一起，從而形成沿著彈簧傳播的波浪的。代表空氣分子的彈簧部分不會移動，只是振動，而波浪明顯地彈回到被推動的末端，代表了回聲。
多普勒效應是指聲波、光波或其他波的頻率隨著聲源和觀察者相互靠近（或遠離）而增加（或減少）。這種效應會導致經過的警報器發出明顯的音調突然變化，以及天文學家觀察到的紅移。天文學家利用多普勒位移來精確計算恆星和其他天體相對於地球的移動速度。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。
一個動畫演示了多普勒效應是如何導致汽車引擎或警笛在靠近時發出更高的音調，而在遠離時發出更低的音調的。粉紅色的圓圈代表聲波。
多普勒效應可以描述為由移動波源產生的效應，其中對於朝著聲源移動的觀察者，聲源的頻率有明顯的向上偏移，而對於遠離聲源移動的觀察者，聲源的頻率有明顯的向下偏移。重要的是要注意，這種效應並非由於聲源頻率的實際變化而產生的。多普勒效應可以觀察到任何型別的波 - 水波、聲波、光波等。我們對多普勒效應最熟悉是因為我們對聲波的體驗。你可能還記得有一次警車或緊急車輛在你行駛的公路上朝你駛來。當汽車鳴著警笛靠近你時，警笛聲的音調（音調是警笛頻率的量度）很高；然後汽車突然經過之後，警笛聲的音調就低了。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。這隻蟲子週期性地抖動著它的腿，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。由於每個擾動都在同一介質中傳播，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。在 A 點（水坑的左邊緣）的觀察者會觀察到擾動以與在 B 點（水坑的右邊緣）的觀察者觀察到的相同頻率撞擊水坑的邊緣。事實上，擾動到達水坑邊緣的頻率與蟲子產生擾動的頻率相同。如果蟲子以每秒 2 次的頻率產生擾動，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過聲速的速度穿過空氣時產生的衝擊波相關的聲響。音爆會產生大量的聲能，聽起來非常像爆炸。超音速子彈在頭頂飛過時的爆裂聲就是一個微型音爆的例子。
如果船舶以超過波浪在水中傳播的速度行駛，那麼波浪就無法及時“避開”船舶，從而形成尾跡。尾跡是一個更大的單個波浪。它是由所有本應在船舶前方擴散但無法擴散的小波形成的。
當飛機穿過空氣時，會產生聲波。如果飛機的飛行速度低於聲速（聲速會發生變化，但在空氣中通常為 700 英里/小時），那麼聲波就可以在飛機前方廣播。如果飛機突破音障，以超過聲速的速度飛行，那麼它在飛過時就會產生音爆。音爆是飛機聲波的“尾跡”。所有本應在飛機前方廣播的聲波都被組合在一起，所以一開始你什麼也聽不到，然後你就會聽到它們產生的音爆。
這就像你在一個平靜的湖邊，當一艘快艇駛過時。快艇經過時，水面上沒有波紋，但最終，尾跡的巨浪滾上了岸。當飛機以超音速飛行時，也會發生完全相同的事情，但不是巨浪，而是音爆。
共振和受迫振動
- 共振：所有物體都具有固有的振動頻率。因此，一個物體以另一個物體的固有頻率振動而形成的聲波可以導致另一個物體振動，而無需物理接觸。
- 受迫振動：一個振動物體使另一個物體振動，因為它們之間有物理接觸。
聲速
聲速取決於波浪傳播的介質，是材料的基本性質。牛頓首次對聲速的測量進行了重大努力。他認為，物質中的聲速等於作用在它上面的壓力（STP）與其密度之比的平方根。
聲音的感知
“聲音”一詞在物理學中的使用方式與在生理學和心理學中的使用方式截然不同。在生理學和心理學中，“聲音”指的是大腦對聲音的感知。心理聲學領域專門研究這類現象。從歷史上看，“聲音”這個詞僅指一種心理上的影響。這意味著（至少在 1947 年），對“如果一棵樹在森林裡倒下，但沒有人聽到，它會發出聲音嗎？”這個問題的正確回答是“不”。然而，由於當代的用法，大多數詞典都將“聲音”定義為一種物理現象。因此，現在對同一個問題的答案（見上文）是“是的，一棵樹在森林裡倒下，即使沒有人聽到，它也會發出聲音”。任何聽覺生物對聲音的物理接收範圍都侷限於一定頻率範圍內。人類通常可以聽到大約 20 赫茲到 20,000 赫茲（20 千赫茲）之間的聲頻。上限會隨著年齡的增長而下降。有時“聲音”只指那些在人類聽覺範圍內的頻率振動，有時它也與特定動物有關。不同的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，但對低於 40 赫茲的振動是聾的。
聲音的特性
聲音之間在音高、強度和音色上有所不同。音高指的是聲音的高低，正如我們所聽到的那樣。頻率是指每秒鐘的振動次數，音高隨頻率而變化。
- 任何物體振動都會產生聲音。
- 音高指的是聲音聽起來是低還是高。
- 頻率高於人類聽覺範圍的聲音被稱為超聲波。
- 強度指的是聲音的響度或輕度。
- 振幅可以透過移動更多空氣來使聲音更響亮。
- 多普勒效應是指波在運動方向上被壓縮，而在運動方向上被拉長。
- 超聲波是指超出人類聽覺範圍的聲音波，只能用機器才能聽到。
- 稀疏是指分子散開的地方。
- 壓縮是指分子聚集在一起的地方。
- 聲音測量以分貝為單位。
- 關於音調，基音是最低的頻率，泛音是其他高頻音調。
- 聲吶：聲波導航和測距
發出聲波，然後分析反射波。
- 超聲波：與聲吶類似，但聲波超出了人類聽覺範圍。
NIHL 也可能由極響的聲波爆發引起，例如槍聲或爆炸聲，這些聲波會使耳膜破裂或損害中耳的骨骼。這種 NIHL 可能是立即發生的，也是永久性的。響亮的聲音暴露也會導致耳鳴——耳朵或頭部出現嗡嗡聲、嘶嘶聲或轟鳴聲。
- 損害用來檢測聲音的器官。
- 聽覺會因暴露在非常響亮的聲音中而受損。
- 取決於耳朵距離聲音的遠近、聲音的響度、耳朵暴露在聲音中的時間長度以及暴露的頻率。
什麼是音樂？它僅僅是噪音，還是藝術？不是每個人都喜歡相同的音樂或相同的噪音，但這兩種東西的共同點是它們都是聲音。有些人認為噪音只是一種令人不愉快的聲音，而另一些人可能會說，對他們來說，噪音是“悅耳的音樂”。由於今天我們擁有電子裝置，我們幾乎可以在任何東西中加入聲音。令人驚奇的是，音樂的基礎通常分為三類，即絃樂、管樂和打擊樂器。這三類是音樂的傳統工具，還沒有任何新技術能取代它們。
絃樂器：基本上是指弦的振動傳遞到共鳴板，然後傳遞到空氣中。絃樂器的一些例子包括小提琴、大提琴、吉他、豎琴，甚至鋼琴，還有很多其他的絃樂器，但這些是最常見的。
管樂器：更像是一種吹奏樂器，是指將一股氣流吹向樂器一端附近的孔，樂器內部的氣柱就會振動。管樂器的一些例子包括短笛和長笛。空氣吹入一個叫做簧片的吹嘴，然後簧片振動，使氣柱振動，從而發出聲音。
打擊樂器：響板、木槌、鈴鐺和編鐘都屬於打擊樂器。原因是在打擊樂器表面上施加力，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音樂型別，包括爵士樂和管絃樂，都離不開銅管樂器。無論您是剛接觸銅管樂器，還是對銅管樂器有所瞭解，這份有用的指南都會解釋各種不同型別的銅管樂器的區別。
這些銅管樂器包括小號、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抵在金屬吹嘴上，並在吹入吹嘴的同時使嘴唇振動而使其振動。對於大多數銅管樂器來說，氣柱的長度可以透過按壓和釋放閥門來改變，從而新增或刪除空氣流過的管子的部分。一些銅管樂器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區別。它們使用電子裝置在揚聲器中產生振動。電子樂器，任何透過電子手段，通常是電子手段，產生或修改聲音的樂器。音樂中的電子元素由作曲家決定，聲音本身是由電子裝置製造或改變的。諸如電吉他之類的樂器，透過聲學或機械手段產生聲音，但透過電或電子手段放大聲音，也被認為是電子樂器。然而，它們的結構和產生的聲音通常與它們的非電子對應物非常相似。
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所有人類都有一個被稱為喉部的“聲帶盒”，喉部上覆蓋著兩條薄而有力的組織帶。我們還有褶皺，或者像我們通常所說的聲帶。男性的聲帶往往比女性的聲帶更厚。在你呼吸時，空氣會透過你的聲帶。此外，聲帶上有肌肉連線，使你可以收緊聲帶。當你這樣做，並迫使空氣穿過聲帶時，會導致聲帶振動，就像橡皮筋在氣流中振動一樣，從而產生聲音。
一個完美的例子是，當一個人哼哼的時候，你把手指放在喉嚨裡，當你哼哼的時候，你可以感覺到振動。男性的聲音通常比女性的低，而且聲音的種類很多，有高有低。聲音的音質受許多因素的影響，包括喉嚨、嘴巴和鼻子的氣道。嘴唇、舌頭和牙齒的位置和形狀，以及鼻竇的形狀和狀態，鼻竇充當共鳴腔。
檢查你的理解