关键概念
声音
波
听觉
介绍
你有没有试过与一个远到你无法听清他说话的人进行交谈?如果用不喊的话,会很难实现长距离对话。所以,不论他/她是在100码还是100公里之外,现在我的们都能够用电话与远方的人进行愉快的交谈。
回到没有手机或者甚至是无绳电话的年代,所有的电话都由线来传递人的声音(以电信号形式)。所以你能够用同样的概念用杯子和绳子来制作自己的电话。你想用绳子来传递什么信息呢?
背景
当我们谈话时,我们的声带让空气中的分子发生震动(当你在说话时把你的手放在喉咙处,你可以感觉到震动)。这些震动的空气分子让周围其他空气分子发生震动,以此传播下去,这就是声音如何在空气中传播的。(不同音高产生的波之间有不用的间隔—或者称作“频率”。)许多其他的声音源,比如吉他、小提琴或者钢琴弦是震动是如何产生声音最好的例子。
在我们的耳朵里有微小且敏感的毛发。它们用于接收震动并把信号传送到我们的脑中,信号被编译成声音。脑子根据振动的频率、间隔或者波长判定不同声音的音高或声调。
但是,空气中颗粒散开的速度比在水中或固体中散开的速度快。许多声音震动在传递至远方前就趋于消失殆尽了。如果空气中有一些密度比空气高的软连接材料,比如棉线或者大量分子,就能够帮助声音传播更远的距离。
材料
两个大纸杯(废弃的塑料杯也同样可以)
两个曲别针或牙签
长为约10到30英尺的棉线或者钓鱼绳
相对安静的区域
准备
在每个纸杯的底部扎一个小洞(对于塑料杯子,你可能需要一个钉子或者其他锋利点的工具,所以完成这个步骤需小心谨慎)
把线从每个纸杯的底端穿过
在每个被子的底部放置曲别针或者牙签并把线固定在它周围(曲别针或牙签在这的作用是为了防止线从杯子底部滑走)
步骤
给你对话的伙伴一个纸杯,你自己留一个。
两个人逐渐拉开距离直到连接纸杯的线拉直并且紧绷。
把你的纸杯放在耳朵旁,让你的伙伴对着他/她的纸杯说话(如果你们两个人的距离比较近,请保持相对低的对话声音,但是确保比低语的声音高一点)
你能听见你的伙伴说话吗?
现在,试着对你的纸杯说话,让他/她听你的声音。他/她能听见你吗?
试着让绳子松一下,你的电话仍然能够使用吗?
现在,保持声音在同一水平,距离保持相同,试着不用纸杯与对方谈话。你能听见吗?
扩展:如果你有足够大的空间,看看你的电话能在多远的距离内有效。
扩展:如果你们周围有第三个人,让他们手里拿着线的中间部分,声音还能够从这头传到那头吗?为什么能或不能?
扩展:如果你有别的材料(比如纺线,钓鱼绳,尼龙绳等),不妨都试试。不同材料时如何影响声音传递的质量的?不同材料能够传多远?
可继续搜索更多的观察方式、得到的结果和资源。
观察与结果
是不是你们用纸杯和紧绷的绳子制作的电话进行对话能够更好的听到彼此的声音?
这次实验活动中,你的声音让纸杯中的空气振动,进而纸杯的底部发生震动。这些震动被传递到绳子然后传到你伙伴杯子的底部,这让他或她杯子产生震动并且变成了可探测的声音。当线变松弛后,震动更容易消散并且在传播过程中消失。(国定电话使用了同样的工作原理,但是他们把声音波转换成电信号,这比线传播传递的更远,同时地上通讯线路不需要保持紧绷状态。)
声音,比如人们的谈话,通过极小的波段传播,但速度极快(大概1126英尺每秒),所以当声波从纸杯间的线传播的时候,我们无法看到或者探测到一次延迟。
你有没有注意到声音在水下时候发生的变化?因为水分子排布比空气分子更加紧密,声波更容易移动,可以在水下面走的更快更远。鲸鱼和其他海洋动物在水下用声音交流的时候就利用了这个优势。科学家们认为鲸鱼们不需要有线电话就能够听到几公里外伙伴的声音!
清理
把线从曲别针或牙签上切断,回收或者重复利用你可以用的材料。
(翻译 刘夏,审校 张修竹)