精品风筝的力学原理及其制作.doc

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1、风筝的力学原理及其制作 1二、扁担的作用及其力学原理 5三、对“弯道问题”的思考 6四、运动场上的物理学 8五、自行车载重或气不足时骑着比较费力10声学篇一、人体物理12二、次声波及其应用13三、噪声的防治与利用16四、物理肥料20热学篇一、水的反膨胀与墙根的损坏24二、冬季生活中的物理知识25三、云形成的热学过程28四、五彩缤纷的物理现象31电磁学篇 一、家用电器中的物理知识38二、关于电能表的几个问题44三、空调器的输出功率47四、间歇性家用电器的耗电分析48五、电气火灾的成因及其扑救52六、雷电趣话54七、超导磁悬浮列车58八、小小手机关乎国家安全61九、磁卡和IC卡 63十、地磁场地球

2、生命的保护伞65光学和近代物理学篇一、天空为何有那么多的颜色68二、城市亮化与光污染71三、红外线与我们的生活73四、氢能：新能源中的一颗明珠77生活与物理2005年8月力学篇一、风筝的力学原理及制作风筝是我国最古老的一种民间艺术，放风筝是一项集休闲、健身及学习科学知识于一体的高雅娱乐活动，深受人民群众的喜爱，许多学校把“风筝的力学原理及制作”选为高中学生研究性学习的课题是非常恰当的。让我们从形状最基本的风筝说起。最简单的应是平板状的方形风筝了，这种风筝一般用两根长度不同的提线固定在风筝中轴上下适当的位置，使风筝在空中与风向成一定的迎角，下方装有两根一定长度和宽度的尾条，如图1所示。让我们来分

3、析风筝是如何上升以及保持姿态稳定的。一、风筝的上升图2是平板状的方形风筝在空中稳定时的受力示意图。风吹在风筝表面上，产生一个垂直于风筝面的压力F，这个力可以分解为水平方向的分力F2和竖直方向的分力F1。F2的作用是使风筝远离，F1的作用是使风筝上升，同理，风筝线的拉力T也可以分解为水平和竖直两个分力T1、T2。G为风筝的重力。当风速较大时，压力F较大，竖直方向满足F1T2+G即F1-T2-G0风筝上升。此时应该将风筝线放出，使水平方向满足F2T1，风筝远离。风筝上升到一定高度和距离，风筝线重力大大增加，使得拉力T大大增加，而且风筝和竖直方向的角度减小，使得分力T2大大增加，当达到F1-T2-G

4、0时风筝就不再上升，而是稳定在空中。风筝刚放飞时，地面附近风速常常较小，往往需要人为助跑来加大风的压力F以满足上升的条件，这里应用了相对运动的原理。二、风筝姿态的稳定图1所示的风筝如果没有尾条，在空中的姿态是很不稳定的，风筝面会以拉线方向为转动轴顺时针或逆时针方向转动或摇摆，若提线位置系得不合适，使得风筝的重心落在转动轴的上方，风筝还会头朝下颠倒过来，迅速栽向地面上。给平板状风筝加上适当重量、适当长度的尾条是使风筝状态达到稳定的有效方法。当风筝的身子转过一个角度时，尾条的方向由于所受重力和风力的方向不变而保持不变，从而产生使风筝回复原来位置的力矩，图3为顺着拉线方向正视风筝时的示意图，F1、F

5、2为重力和风产生的拉力的合力在风筝平面内的两个分力；L1、L2为二力到转动轴O点的力臂，产生的回复力矩为:M=M1+M2=F1L1+F2L2，可以看出，当风筝的身子偏转的角度在0。90。范围内时，力臂L1、L2随偏转角的增大而增大，从而保证了风筝姿态的稳定。保持风筝姿态稳定除了加尾条的方法外，还有利用类似于飞机垂直尾翼的原理，增加与风筝平面垂直方向的投影面积的方法，其做法一般都采取使风筝面翘起成孤形，如图4所示，S1为风筝有效的迎风面积，S2为等效的垂直尾翼面积。对飞机来说，当气流方向和机身长度方向一致时，垂直尾翼的迎风面积为零，不产生回复力矩；当机身由于不稳定因素而产生以通过质心的竖直轴线为

6、轴的偏转时，垂直于尾翼的迎风面积就不为零，气流将产生垂直于尾翼面的压力，形成回复力矩，使机身回到原来位置。同理，当风筝面以拉线方向为转动轴顺时针或逆时针方向转动或摇摆时，两侧空气将通过等效垂直尾翼面积产生对摇摆运动的阻力，同时迎面气流也将产生对垂直尾翼面积的压力，前者使摇摆减缓，后者产生回复力矩。当风筝在放飞时受到风力后风筝面会弯曲成弧形，称为软翅风筝；也有一些风筝在制作时，用线将风筝面事先拉成弧形，都是利用上述原理使风筝姿态稳定。三、风筝制作实例下面介绍风筝制作的几个典型实例，供同学们制作时参考。1、十字风筝这种风筝用横竖两根竹条做骨架，横竹条长约45cm，宽厚均匀3mm，两头可稍薄；竖竹条

7、长约62cm，宽厚均匀为3.5mm。蒙面材料可采用皮纸、塑料薄膜、尼龙绸等，若用纸质材料，应用细线包边，防止撕裂。在尾部粘上用蒙面材料做成的宽4cm，长约2.4m的长尾条，再将横竹条背面用细线拉紧，使风筝面变成弧形， 以增加飞行的稳定性。这种风筝姿态的稳定主要靠长长的尾条。提线用两根，大致位置见图5(a)。2、王字风筝这种风筝以用四根竹条扎成王字形而得名，基本结构如图5(b)所示；三根横向竹条长54.99cm（下方的一根也可略短），竖向竹条长50cm，4根竹条宽厚均为3.5mm左右，蒙面及两根尾巴的材料同十字风筝。风筝的飞行稳定依靠两根长长的尾巴，可以将尾条尾端粘在一起，使在空中象只书包。提线

8、用两根，位置如图示。3、三角风筝这种风筝设计巧妙上，飞行状态象伞翼机，主要是靠风筝面向上拱起成弧形达到姿态稳定的见图6（c）。该种风筝用宽厚各3.5mm的三根竹条做骨架，另用一根粗细相仿的弹性竹条做背面的撑杆，一般用尼龙绸做蒙面。其设计巧妙之处，一是用布面代替提线，增大了等效垂直尾翼面积，增加了稳定性图6(a)；二是背面的弹性竹条可以随风力大小改变弯曲程度，从而改变风筝向拱起的程度，风力大时，需要较高的稳定性，弹性竹条就弯得厉害，风筝向上拱起的程度增大图6(b)，这种风筝的缺点是风力太大时背面撑杆会弯过头，使迎风面积大幅度减小，升力骤减，风筝会调头向下坠落，解决的办法是将背面撑杆改为稍短的无弹

9、性硬杆，两端固定牢。风筝的尺寸为：等腰三角形两根腰杆长85cm，中线杆长60cm，背面撑杆长度可试验决定，等腰三角形的底边靠尼龙绸自身的强度，也可加上几根短尾条作装饰。做一做:制作风筝，同学之间进行比较，探究各自风筝的优点和改进方法。二、扁担的作用及其力学原理扁担具有杠杆的作用，不仅为我们提供方便，更重要的是省力。不妨我们分析扁担挑重物时和用手提重物时的受力情况。以扁担挑重物为例，如图1所示，以扁担和重物为研究对象，人所施加的力为F，由平面力系得知F=2G，以人提重物为研究对象，如图2所示，由于手提两重物不可能让重心叠加在一起，必须分开，分开角度与重物重心距边缘最近的距离有关，这时人施力除了F

10、=2G外，还必须提供两重物分开的一对平衡力N，才能保证重物提起。人施加的力F，=N+F一定大于用扁担挑重物时的力，在现实中，同样重的重物两人不用手提而用扁担抬和这是一个道理，用扁担能挑方便。若将扁担做成“扁”的和“软”的都能起到增大受力面积，减小对人体压强的作用。“扁”扁担大家都知道能减小压强，而“软”扁担为什么能减小压强呢？人们用软扁担挑重物时，由于软担发生的弹性形变明显大于硬扁担，这和人坐沙发比坐硬板凳子舒服是同样的道理。软扁担不光增大受力面积，更重要的是能够上下颤动，这样，使人受到交变载荷，使人感到轻松。这是由于人走路时对每一步都是以地面为圆心，人腿为半径向前迈进，如图3所示，这样人的肩

11、膀就会一高一低的上下运动。硬扁担会把这上下运动传给人体，使人感到较大交变载荷，同时重物随人体上升使人要作额外的功。而软扁担的人体高时马上发生弹性变形，这时重物不会马上随人体的增高而增高，而通过软扁担减少上下运动，使人肩受到较小的向上加速度，从而使向上受力较小于硬扁担，而扁担形变所贮存的弹性势能又会减少对重物上升而作的额外功。故人体感到舒服。上述的道理同人挑东西小跑时，步幅小，上下运动小，感到轻，而步幅大，上下运动大，感到重，是同样道理，上述可以以下实验验证。用扁担挑着重物不动和上下颤动。不动时，人体不受交变载荷；上下运动时，受交变载荷，人是这样的，机器也是一样，受交变载荷的承载能力远远小于不受

12、交变载荷的承载能力。三、对“弯道问题”的思考目前，国际性田径比赛使用的是周长有400米圆式跑道的田径运动场。跑道通常设有8条分道，各宽1.221.25m，弯道半径（内道）37.898m(下取37.90m)，两圆中心距为80m。200m、400m等项目的竞赛都涉及到弯道途中跑。由于弯道占全程的约2/3，弯道技术常成为致胜的关键。设运动员以恒定速率v在半径为R的弯曲跑道上赛跑。由于运动方向不断变化，这实质上是一种变速运动，运动员的整个身体要向内（加速度方向）倾斜。为了使人体不倾倒，地面给运动员脚的反作用力F必须通过人体质心C，这样可保证对质心的力矩为零。F与重力mg的合力即运动员作曲线运动的向心力

13、，方向指向圆心，大小为mv2/R。事实上，这里所说的地面给运动员的力F实际上就是支持力N与静摩擦力f之和。竖直方向的重力mg与支持力N的合力为零，与作圆周运动无关；水平方向平行于地面的静摩擦力提供了运动员在弯道上的向心力。由图1可知：mgtg=mv2/R, 即：tg=v2/Rg。可见，速度越快、半径越小，所需要的向心力越大。对不同道次上的运动员而言，跑道半径R不同。即使速率相同，人体的倾斜角度并不相同。假设某一运动员在弯道上的速率v为10m/s，则从最内侧跑道到最外侧跑道所需要的向心力。倾斜角见下表弯道半径(m)37.9039.1540.4041.5642.9044.1545.4046.65向

14、心力(R为37.90m时取1)10.970.940.910.880.860.830.81倾斜角(度)15.0714.6114.1813.7713.3813.0112.6712.34弯道半径小，向心力（摩擦力）大，人体的倾斜角度大，对弯道技术要求高，此时运动员对地面沿半径方向的蹬踏作用也随之增大，这在一定程度上增加了运动员的额外负担。相同速率下，运动员在最内侧跑道与最外侧跑道上比赛时，向心力相差约19，人体的倾斜角相差3。，这正是运动员重视比赛道次安排的重要原因。能否如图2所示将跑道表面设计成像火车弯道那样向内倾斜，以支持力与重力的合力提供向心力，从而减少摩擦力，以求得各道次的公平竞赛？诚然，跑

15、道设计成图2所示形状，可使摩擦力减少，如果速率适当，摩擦力甚至可以为零。若将不同半径的跑道设计成不同倾角，在减少摩擦力这一点上可达到相对公平。但此时的支持力N在数值上为重力与惯性离心力之和，大于人的重力mg，运动员就好像背上了“额外重物”在平直跑道上沿直线赛跑。显然，不同道次上运动员所背的“额外重物”并不同，弯道半径越小，“额外重物”越重。倾斜跑道增加了设计、施工的难度，却难以达到“公平竞赛”的要求。四、运动场上的物理学一、钉鞋 田径比赛时，短跑运动员往往要穿上钉鞋，而长跑运动员如果也穿上钉鞋的话，那就会闹笑话了。那为何短跑运动员要穿上钉鞋，而长跑运动员不能穿呢？同样都是钉鞋，为何跑步时穿的钉

16、鞋只有前脚掌有钉子，而跳高时穿的钉鞋前后脚掌都有钉子呢？ 原来短跑时无论起跑还是途中跑，运动员都要竭尽全力地向后蹬地，靠地面对人的反作用力而迅速向前运动，如果穿上一般的运动鞋，由于鞋底和跑道之间的最大静摩擦力会小于运动员的后蹬力，运动员就会因打滑而向后移动（一般将这种现象称为滑蹭），若在短跑中运动员每跑一步都向后滑蹭一点，势必会影响运动员的成绩。而穿上钉鞋后，由于钉子能扎入跑道，因而可以有效地防止滑蹭，所以短跑运动员穿上钉鞋是为了增大摩擦力。 那长跑运动员跑步时为何不穿上钉鞋呢？原来滑蹭虽然会使运动员多跑一些距离，但由于滑蹭也会延缓脚与地面间作用的时间，减小了地面对人的反作用力，缓冲了对关节的

17、冲击，可减轻运动员的疲劳程度，提高总成绩。另一方面，长跑比的是耐力，不需要那么大的后冲力，因而滑蹭相对也小些。再来说说跳高时穿的钉鞋为何前后脚掌都要有钉子。原来跑步时只是前脚掌着地，而跳高时先是后脚掌着地，然后是前脚掌着地，因为跳高是利用助跑获得水平速度，再利用制动性起跳，将水平速度转化为向上的速度，钉鞋的后跟也有钉子就是为了产生制动作用。二、跳高姿势 校运会上跳高运动员一般都采用跨越式跳高, 而少数采用背越式的运动员往往是成绩比较好的运动员，并且在世界大赛上，根本就看不到跨越式跳高，这又是什么原因呢？设想将人的头和脚连起来成一圆环（图1），则其重心大约在圆心O附近，也就是重心下移了。所以当背

18、越式跳高时，运动员总是背对横杆，将身体做成弓形，象拱桥一样（图2），这样做的目的是为了使其重心O下移。而跨越式跳高则如图3所示，二脚尽可能分开先后跨越横杆，这时人的重心O是上移了。因而跳高时采用背越式和跨越式的区别是：越过横杆时，人的重心分别在横杆的下方和上方，对某一运动员而言，他能将自己的重心提高的高度是一定的，因而对他来说跳高时，采用背越式肯定比采有跨越式跳得高些。当然身体的柔软韧性越强，将身体弯曲的越厉害，重心就下移得越多，成绩就会越好，这就是跳高时背越式胜过跨越式的奥秘。当然，有时在世界大赛中也能看到俯卧式跳高，运动员也是将身体做成弓形，只不过是脸朝横杆，也是将重心下移，原理与背越相似

19、。不过这种方法较背越式难为运动员掌握，因而采用的人较少。三、滑冰不知你是否注意到滑冰运动员冰鞋滑过的地方总会留下一道的“白线”，过一段时间“白线”又消失了，这是什么原因呢？原来冰鞋下面的冰刀和冰面的接触面积很小，人穿冰鞋在冰面上时对冰的压强很大，压强大时会使冰熔点下降，再加上摩擦生热，就会使冰刀下面所接触到的冰在较低的温度下熔化成水，因此你所看到的“白线”实际上是冰化成的水，当冰刀滑过后由于压强又变小，因而水又会结成冰，这时“白线”自然就消失，这种现象在物理上被称为复冰现象。所以冰上运动实际上是由于有了水做润滑剂，大大减小了冰刀和冰面的摩擦，才能确保运动员在冰上得以高速运动。讨论与交流：体育课

20、上你还遇到那些运动项目涉及到物理知识？五、自行车载重或气不足时骑着比较费力我们平时骑自行车时都有这样的经历：自行车载重时比空车骑着费力；气不足时比气足时骑着费力。对前者有人解释为载重时自行车对地面压力大，地面对自行车的摩擦力大，因而骑着费力；而对后者的解释却并不容易，因为气足与不足并不影响轮胎与地面的材料、粗糙程度及正压力，有人因此认为：气不足时轮胎与地面的接触面大，因而摩擦力大；还有人解释说：气不足时轮胎的弹性小，摩擦因数大，摩擦力大因而骑着费力。以上各种解释似乎都有点道理，其实都是不正确的。首先，自行车与地面之间存在的是滚动摩擦（可认为轮胎与地面之间没有相对运动），而不是滑动摩擦，用滑动摩

21、擦的知识来解释当然不合适（对后者的解释存在科学性错误）。其次，自行车后轮（主动轮）与地面的摩擦力对自行车起到的是动力作用，而不是阻力，认为地面对自行车的摩擦力是导致骑车费力原因的说法是欠妥的。下面我们从力矩的角度对上述现象作出解释。对从动轮而言，当空车或气足时，地面和轮胎形变较小，轮胎与地面的接触面较小。如图1所示，此时地面对车轮的支持力F的作用线与车轴的距离很小（严格说并不经过车轴，而是稍前，支持力相对车轴的力矩几乎为零，因而当轮受到轴对它向前的推力和地面对它向后的摩擦力时，就会向前滚动（此时车轮受到的滚动摩擦力偶矩较小）。当载重或气不足时，地面和轮胎形变较大，轮胎与地面的接触面较大，如图2

22、所示；此时地面对车轮的支持力F的作用线前移，离车轴距离变大有关说明见附（一），支持力F对车轴的力矩变大，该力矩与车轮滚动方向相反，阻碍车轮向前滚动（此时车轮受到的滚动摩擦力偶矩较大）。对主动轮面言，链条（或其它传动装置）提供车轮向前转动的力矩（如图3的所示），地面对它向前的摩擦力阻碍车轮的转动，同时轮通过轴对支架产生向前的推力。空车或载重时及气足或气不足时，地面对主动轮的支持力及其力矩（滚动摩擦力偶矩）对车轮转动起到的作用与从动轮相同，在此不作详细分析。由以上分析可知：载重或气不足时，地面对车的支持力产生的阻碍车轮向前转动的力矩（滚动摩擦力矩）增大，从而造成自行车载重时比空车骑着费力，气不足时

23、比气足时骑着费力。而地面对轮胎的摩擦力（静摩擦力）在此过程中并不是费力的主要原因。附：（一）圆柱体在滚动摩擦与滚动摩擦力：当圆柱体在粗糙水平面上滚动时，要受滚动摩擦的作用，它是由于圆柱体与地面接触处的形变而引起的。因为圆柱体和地面都不是绝对刚性的，圆柱体由于重量而陷入地面，同时本身也受压缩。当它向前滚动时，由于地面的隆起，地面的竖直反作用力N并不通过质心，而是偏于质心的前方，因而产生一个反抗圆柱体滚动的力矩，如图4所示。这个力矩就是滚动摩擦力矩，又叫滚动摩擦。（二）滚动摩擦力是圆柱体滚动时，在地面与圆柱体之间产生的阻碍二者相对滑动的力，当圆柱体只有滚动没有滑动时，该力属于静摩擦力。说明：滚动摩

24、擦表现为力偶矩的作用，是力矩；滚动摩擦力属于静摩擦力，是力。二者在量纲上不同，效果上不具备可比性。声学篇一、人体物理1、饭后打嗝食物进入胃内时，被胃挤压，使得食物中空隙间混有的气体积聚，当积聚的气体压强大于食物与大气压强之和时，这些气体将从胃内经食物的空隙向上冲并从嘴里跑出来。发出的响声可能不大，但若此种气体冲过关闭的声带就会发出较响的声音，这即是打嗝。喝啤酒或吃萝卜常打嗝，就是这个原因。2、坐机吃糖咽鼓管在说话、吞咽时开放，时间不超过1秒钟。这时它能使鼓膜内外两侧气压平衡，保证听音。如飞机突降，大气压升高，咽鼓为受压后不能开入，空气不能进入中耳，将发生航空性中耳炎。吃糖果时不断吞咽，能使咽鼓

25、管不断开闭，内外气压平衡，保护耳朵不受伤害。3、纹的作用人拿东西靠的是手和物体间的摩擦力，而手纹则是为了增大在拿东西时手与物体之间的摩擦力。脚纹则是为了增大脚与鞋之间的摩擦。这些摩擦是必不可少的，是有益的。4、木棍听音人体通过空气传导和骨传导产生听觉。声波入耳后引起鼓膜和听小骨振动，经内耳剌激听神经传到大脑，听觉就形成了。但声波通过颅骨的振动，也能剌激听神经。音乐家贝多芬耳聋以后，以牙咬住细棍的一端，另一端置于钢琴上，琴声振动颅骨后就能感受到音乐。思考与交流你还知道那些人体物理现象吗？二、次声波及其应用常言道：“未见其人，先闻其声”。但自然界有与其恰恰相反的现象。如蜜蜂采密时有嗡嗡的声音，而蝴

26、蝶在花丛中飞舞时，却很难听到声音，这是什么原因？自然界有许多我们听不到的声音，次声波就是其中之一。一、何谓次声波次声波又称为亚声波，是一种人耳听不到的声波，频率范围为10-4Hz20Hz。在大自然的许多生活中，我们都可以感觉到它的存在。人类可闻声波的频率范围为20Hz20000Hz，可是现代声学研究的声波频率范围不断向高端和低端扩展。2104Hz5108Hz的声波称为超声波，5108Hz1010Hz的声波称为特超声波，而1012Hz1014Hz则是分子热运动的范围。目前，整个声学研究的频率范围跨越1016HZ，是物理学各分支里少有的。二、次声波的产生本文开头提到的蝴蝶飞舞时，由于翅膀振动的频率

27、很低，发出的就是次声波。在自然现象中，地震、火山爆发、风暴、雷暴、磁暴、陨石落地、大气湍流等都会产生次声波。人类的活动，如核爆炸、人工爆破、火箭起飞、飞机起降、奔驰车辆的振动等也会产生相当强的次声波。另外，还可以人为制造声源次声发生器。这种发生器的工作原理很像风琴管，可以具有较大的功率。三、次声波的特点和声波一样，次声波的传播遵循声波传播的一般规律，但由于它的频率很低，在传播时也有自己的特殊性。次声波在20的大气中的传播速度为334m/s。如振动频率f=10-2Hz的次声波，其波长为=v/f=3.34104m。由于次声波的频率低，波长长，容易发生衍射，在传播过程中遇到障碍物很难被阻挡，经常会一

28、绕而过，在有些情况下，那是巨大的山峦也无法阻挡它的传播。另一方面，声波在传播过程中，频率越高，衰减越大。次声波由于频率很低，在传播过程中衰减很小。当次声波在大气中传播几千千米时，空气对其吸收还不到万分之几分贝。因此，次声波可以在空气、地面等介质中传播得很远。例如一包5kg的炸药爆炸时，几千米以外就听不到爆炸声了，但由爆炸引起的次声波却能传到80km远处。1883年8月27日，印度尼西亚的喀托火山突然大爆发，产生了强爆炸波，发生了巨响。同时产生的次声波则传播得很远，居然绕地球转了3圈，历时108小时。1961年，前苏联在北极闭幕式内新地岛进行核试验激起的次声波绕地球转了5圈。次声波还有一个特点就

29、是穿透能力强，可以穿透建筑物、掩体、坦克和潜艇等障碍物。如7000Hz的声波用一张纸即可隔挡，而7Hz的次声波可以穿透十几米厚的钢筋混凝土。地震或核爆炸所产生的次声波可以能将高大的建筑物摧毁；海啸带来的次声波可将岸上的房屋毁坏；高空中大气湍流产生的次声波能折断万吨巨轮上的桅杆。四、次声波的应用由于次声波具有远距离传播的等突出优点，它的应用已受到越来越多的关注。我们应充分利用其特点为人类服务，但同时也要防止它所带来的危害。1、科学监测方面的应用利用次声波通过大气所引起的压力波动效应，可以测量次声波。次声波的测量表明，次声波是平面波。它沿着与地球表面平行的方向传播。在强烈地震时，沿地面传播的地震波

30、有三种：纵向波、横向波和表面波，它们所激发的次声波的强度各不相同。接收这三种不同的次声波，可以推算出地震波的垂直幅度、方向和水平速度。另外，根据接收到的次声波，可以探知几千千米外的核武器试验和导弹发射。1986年1月29日0时38分（北京时间），美国航天飞机“挑战者”号爆炸，经过12小时53分钟后，它的次声波传到中国科学院声学研究所的北京监测站所在地北京香山，其间的路程达14300千米。所以，利用次声波的资料能够预报破坏性很大的海啸、台风，以便人们及早做好预防工作。2、次声波对人体的危害很强的次声波对人体和动物都是有害的。人体的各个器官都有自己的固有频率。例如，人体内脏的固有频率在10Hz以下

31、。人耳听不见的次声波，如果与人的某个器官的固有频率相同，会引起共振。因此，次声波对人的心脏、听觉、视力、语言会产生影响，强大的次声波会导致人的死亡。当次声波和人脑固有频率（8Hz-12Hz）接近时，会引起共振，剌激人的大脑，对人的心理和意识产生一定的影响，轻者感觉不适，注意力无法集中，情绪上恐惧不安，还会引起头痛、恶心、晕眩；严重时使人神经错乱，癫狂不止，休克昏厥，丧失思维能力。3、动物对次声波的感知用一些动物做实验发现，强次声波能使狗呼吸困难，使老鼠的耳膜振破，甚至使一些动物心脏破裂而死亡。动物的听觉范围与人的不同，人耳听不到的次声波，某些动物却可以听到。因此，大地震前由于前震产生的次声波能

32、使狗等动物听见，而产生烦躁不安等异常现象，从而可以预测大地震将要来临。4、次声波在军事上的应用由于次声波在介质中传播衰减较少，在水中传播速度很快可达1600m/s，在军用侦探方面效果很好。次声波在传播过程中，无声无光，不易被敌方觉察，因而制成的次声武器隐蔽性好，再加上它有很强的穿透能力，坦克、装甲车内的驾驶员、指挥员也难以逃脱厄运。根据次声波对人体神经系统和器官的危害，可以把次声武器分为“神经性”次声武器和“器官型”次声武器等类型。由于次声武器只伤害人员，而不会破坏自然物质，也不会造成环境污染，所以世界各国都加强这方面的研制工作。可以预见，次声武器必将成为未来兵器家族中新的出色成员。次声波在声

33、学范围内还是一个比较新的领域，它不仅用于探测气象、地震、预报台风、海啸，而且也用于军事侦察。所以，对次声波的产生、传播、接收、影响和应用的研究，已导致现代声学的一个新分支的形成，这就是次声学。有人预计，近代声学不断深入到人的思维和大脑活动，么有可能声学是人类最先突破人脑活动禁区的学科。三、噪声的防治与利用我们每一个人都生活在噪声之中，噪声与我们休戚相关。随着现代社会的发展，噪声的防治与利用将越来越引起人们的关注。一、噪声的强弱各种频率和声强的声音杂乱地组合在一起，构成了我们生活中的噪声。噪声源主要有空气动力性噪声、机械性噪声和电磁性噪声三种。当气体中产生涡流，可发生压力突变，引起气体扰动，就会

34、产生空气动力性噪声，如通风器、鼓风机和喷气式飞机等所产生的噪声即属于此类。织布机、车床及锤打物体等，由于固体振动，产生的是机械性噪声。电磁性噪声是由于电磁性振动而发出的声音，如发电机和变压器等发出的嗡嗡声。噪声的强弱如何区分呢？这还得从声压说起。声波引起空气质点振动因此使大气压强增加，这个新增加的压强，就叫做声压（p）。它是以单位面积上所受的力来计算的。在国际单位制中，声压的单位是Pa（N/m2），为了方便，人们常用微巴做单位,1Pa=10bar，1bar=106bar。人正常讲话时,离开嘴唇0.5m处的声压大约是1bar。人耳能听到的声压范围是从0.0002bar到200bar，这相当于从微

35、风吹动树时的飒飒声到喷气式飞机发动机的声音，其间声压相差约100万倍。在这样宽广的范围内，用声压的绝对值来表达声波的强弱是很不方便的。况且人耳分辨能力，不但与声压的大小有关，而且与声压的相对值有关。于是人们采用简化的计算方法来表示声波的强弱，即按每增加10倍作为一级的对数方式划分声波强弱的等级，从1到106按10倍等级划分，便有1，10，100，10001000000七个等级，再分别取10为底的对数，便得到0，1，2，3，4，5和6七个级别。根据实际需要，人们又把每一级分得细一点而乘上10，于是原一个级别便成为10个“分级”。人们把这“分级”取保为分贝（dB）。由于声音能量的变化与声压的平方值

36、（p2）成比例，于是两个声压p和p0的级差可表示为LP=10log10()2=20log10。通常人们把耳朵听闻低限作为零分贝声压，所以有LP=20log10（dB）。因此人耳能听到的声压范围，用声压级表示应为20log101（dB）至20log10（dB）。即0dB至120dB。通常我们把噪声强弱划分为120个等级。二、噪声的危害噪声对人的影响是由频率和音量两个因素决定的。人耳可以感觉到的声音频率是20Hz至2104Hz，但对其中1kHz至4kHz的声音最敏感。研究表明,音量经常保持在35 dB，就会危害人的健康。因此我国规定，居民区的环境噪声白天不能超过50 dB，夜晚不能超过40 dB。

37、通常人们讲话声为5060 dB，收音机和电视机开响可达80dB左右。一般噪声会分散人们注意力，影响工作效率，妨碍休息，较强的噪声，会引起人们心血管和消化系统疾病，还会造成耳聋。医学专家研究表明，若在80dB以上噪声环境中生活，造成耳聋者可达50，还会发生眼痛、眼花和视力下降。另外还会使人唾液分秘减少，胃酸下降、食欲不振。噪声对青少年影响更大。有调查表明，在吵闹环境中生活的青少年，其智力发育要比安静环境中低20。噪声使人体中维生素和氨基酸等营养物质消耗增加，不利于青少年生长发育。日本科学家曾对1000名初生婴儿进行检查，发现吵闹环境中生活的婴儿体重普遍较轻。极强的噪声，还会引起人和动物死亡。三、

38、噪声的防治既然噪声的危害不容忽视，那么怎样防治噪声呢？最根本的办法是从声源上控制它，将发声体改成不发声体。如用无声的焊接代替铆接，用无声的液压代替锤打等。但是由于技术或经济上的原因，很多情况不能从声源上控制噪声，人们通常采取吸声、消声和隔声等办法来防治噪声。在高噪声房间里悬挂空间吸声体，或者把吸声材料粘贴在房间内表面上，可以显著降低哭声吸声材料如玻璃棉、泡沫塑料、毛毡、木丝板和甘庶板等，有许多小孔，当声波进入孔隙，由于摩探和粘滞阻力，材料细小纤维的振动使许多声能转化为内能，从而减少了噪声。对于低频率的噪声，吸声材料效果不显著，人们采用共振吸声结构装置吸声，图1是一种共振吸声结构装置。当我们适当

39、选取穿孔率（穿孔面积与该表面积之比），孔径d、颈长l、空腔深D，就可以在某一频段得到最大吸声效果。图1对于空气动力性噪声，常采用消声器防治噪声。消声器主要分为阻性消声器、抗性消声器和阻抗复合消声器三种。图2图3把吸声材料固定在气流管道内壁，就构成了阻性消声器，它对高、中频率噪声特别有效，但对低频率噪声效果欠佳。防治低频率噪声，要用抗性消声器。抗性消声器是根据声学滤波原理设计的。声波通过适当的声阻、声顺和声质量（可类比于电阻、电容和电感）组合空间，可以显著降低某些频段噪声。如共振腔型消声器、扩张室式消声器和干涉消声器等都属于抗性消声器。如果空气动力性噪声具有很宽的频率范围，单靠阻性或抗性消声器难

40、以解决问题，于是人们又设计了阻抗复合消声器。它集中了阻性抗性的优点，降低噪声效果更显著。图2是一种阻抗消声器结构示意图。其中消声元件如图3所示，吸声材料为阻性，穿孔板为抗性，发挥了阻性和抗性的优势。随着现代信息技术发展，根据波形相同，位相相反的波叠加可以相互抵消的原理人们利用电子计算机设计出新颖的反噪声器，反噪声器利用麦克风探测噪声源，将噪声信号送入电脑，产生与之反相的声波，在电脑的指挥下，反相波与来犯噪声波叠加，从而抵消噪声。英国南安普顿大学声学与振动研究所科技人员艾略特，利用这种“主动噪声控制”技术，研制成功复杂的电子控制装置，试用于波音748飞机中，效果显著。美国康涅狄格州消音工业公司，

41、研制出反噪声立体耳机，很受人们青睐。我们还可以用封闭方法，把发声体隔离在某一空间，这叫做隔离法。如密封的隔离罩和隔声间等。一般选用质量大的材料如砖墙、钢板和木板隔离，还可以在隔离腔内表面粘贴吸声材料，效果更好。居住区广植草木树降低环境噪声也有显著效果。在较强噪声环境下工作，应该采取个人防护措施，如佩戴耳塞、耳罩和防声头盔等，保护身心健康。四、噪声的利用噪声可以危害我们的身体，但是人类如果完全脱离噪声，生活在死一般寂静的环境里，对身心健康也会不利。有些声场合, 人们还要巧妙地利用噪声, 所以如何控制噪声,利用噪声, 是现代社会一大课题。例如现代开放式办公室, 许多人集中在面积很大的空产内办公,

42、为了避免相互干扰，就必须人为地在空间产生一个50至60dB的均匀噪声场, 掩盖邻近传来的声音.人们到旅游胜地, 脱离喧嚣的城市，乐于倾听阵阵松涛之声，感到心旷神怡，这说明适度噪声是有益于身心健康的。目前各国科学家都在努力研究开发利用噪声的技术，使噪声造福于人类。英国科技人员设计出一种鼓膜式声波接受器，它把接受到的声能传到电转换器中，声能立即转变成电能，这就是利用噪声发电。美国研究人员发现，高能量噪声可以使尘粒相聚一团下沉，由此产生的噪声除尘技术将使人类受益匪浅。美国科学家还设计出一种利用噪声制冷的冰箱。这种冰箱不用化学制冷剂氟里昂和压缩机，不仅不耗电，而且不会污染环境。美国加利福尼亚斯克利普斯

43、海洋地理研究所的科学家，利用波段为8kHz80kHz的水下自然噪声，显示海底情况，实验获得了成功。前苏联科学家发现，受到电磁辐射，人体分子原子热运动会发出人耳听不见的噪声，可以用电子仪器测量，并且人体部位温度越高，噪声越强。根据这一原理他们研制成功电子声学诊断仪，利用人体噪声确定病灶位置。美国科技人员用噪声干燥食品，其吸水能力为传统干燥技术的4至10倍，并且不会损坏食品营养成分，深受人们欢迎。科学家们通过实验证实，农作物受到高能量噪声剌激后，气孔会张大，可以更多地吸收二氧化碳和其他营养成分，显著增产。例如西红柿在生长期中经过30次100dB的尖锐笛声剌激后，产量可以提高两倍以上。科技员还发现，

44、不同植物对不同波段的噪音，有不同的敏感度，噪音可以控制植物提前或推迟发芽，可以在农作物生长前施药除草，促进作物丰产。总之，随着科学技术的发展，人类在防治和利用噪声方面将创造出更丰硕的成果。思考与交流 噪声与乐声有何区别？噪声需要彻底消除吗？四、 物 理 肥 料在人口不断增加，耕地面积不断缩小的条件下，为了满足人们生活提高的需要，农业科研人员，孜孜不倦地研究提高农作物产量。诸多实验表明，化学肥料虽然比有机肥料效力大，但是，长期使用将导致土壤变性，造成环境污染。研究开发物理肥料，那是提高农作物产量的一条好途径。一、电肥地球是一个巨大的带电体，它表面空间有一个巨大的电场，一切生物都在这个电场中生长。

45、生物体的每一个细胞又是一个特殊的电池，因此，整株植物不断有微弱电流通过。如果给作物外加一个电场，或者说，使植物体与大气间的电压增大，光合作用就会加强，作物的生命过程就会加速，果实就会更丰硕。美国一位植物生理学家做过一个实验，在植物的上方布满铁丝网，将高压直流电源的正极接在铁丝上，电源负极接在地上，把黄瓜、南瓜、西红柿、萝卜、白菜和豆类放在这个高压正静电场中，这些蔬菜与不加电场的比较，它的成熟期缩短了一半，重量分别增加了35倍。如果在这个电场中种植棉花，产量增加50，棉花纤维质量显著提高。有的研究员向稻田通电，认为提高稻田电位差，产量增加50，灌溉用水降低到原来的1/6。用雷击法可使蘑菇增产20。将西瓜种子浸泡在75V电压的稀盐酸溶液中，西瓜含糖量增加40，产量提高10。二、光肥有的农业科学家认为，使作物丰收的关键，不是土壤，而是吸收太阳光的能力，即作物利用太阳光进行光合作用，把光能转化为化学能的能力。如何提高作物吸收阳光的能力？农业科学家经过长期的观察发现，在上午10点钟到下午2点钟，由于大气干燥炎热且紫外线强，小麦的叶片气孔关闭，光合作用处于低谷，为了增加光合作用的时间，人工创