超声波

学科：物理 教学内容：超声波

探究目标

1.知识与技能 知道超声波、次声波的产生与应用；了解声呐及B超工作原理. 2.过程与方法 在参观、调查及上网过程中获得超声波知识；了解动物对超声波的利用. 3.情感、态度与价值观 在了解超声波、次声波在现代技术的应用中，增强对科学的热爱.

探究指导

物理宫殿

1.超声波（supersonic wave）

高于20 000Hz的声波称为超声波.蚊子、猫、狗和家畜等动物能听到.其特点是方向性好、穿透能力强，易于获得较集中的声能量.

2.超声波的应用 （1）声呐（sonar）：声呐是一个监测反射声波的系统.人们利用在水中超声波比光波和无线电波传播得远，且定向性好的特点制成了声呐装置，让它向海下发出高频超声波，依据回声声波的时间，可以测出水下障碍物所处位置、形状和大小；

（2）回声定位：如图4.4-1甲所示，轮船利用超声波探测船下的水深.发射器发射超声脉冲，声呐仪监测到反射来的回音，从而可算出水深.水深（h）=时间（t）；如图4.4-1乙，黑夜里，蝙蝠利用超声波导航；

1×水中的声速(v)×所花2

图4.4-1

【例1】 2000年8月，俄罗斯的库尔斯克号核潜艇在巴伦支海遇难.探测专家用超声波可探测到潜艇的确切位置.超声波在海水中的波速v＝1450m／s，在潜艇正上方海面向下发出超声波，从超声波发出直至接收到潜艇的回波经历的时间为 t＝0.146s，则潜艇沉没的实际深度h约为多大（取整数值）？

思路与技巧 超声波从发出到接收共用时间 t＝0.146s，则超声波从发出到潜艇处共用时间为

1×0.146s，再根据超声波在水中的速度便可求出潜艇沉没的深度h.. 2答案 潜艇沉没的实际深度 h=1450m/s×0.073≈106m.

（3）B超：超声波能够成像，让超声波射入人体内，会在不均匀处和分界面上反射成

像，即内脏的“声”像.利用B型超声波诊断仪可以观察到人体内器官及胎儿生长发育情况，如图4.4-2所示；

图4.4-2 胎儿的B超图像

（4）超声波去污（碎石）：超声波能使清洗液产生剧烈的振荡，有去污作用，如图4.4-3甲.此外超声波还能传递能量击碎人体内结石，如图4.4-3乙；

图4.4-3

（5）超声波探伤：如图4.4-4所示，利用超声波的穿透与反射特性探测金属内部的裂纹、气泡等缺陷；

图4.4-4 图4.4-5 超声波速度测定器

（6）超声波测声速：向行驶车辆发出超声波被车辆反射回来，测速仪接收到声波频率会发生变化，从而确定车辆速度，如图4.4-5所示.

【例2】 超声波具有 、 等特点，超声波主要用于 、 、 、 等方面.

思路与技巧 与其他可听声相比，超声波具有方向性好、穿透力强，易于获得集中声波等特点，因而有着广泛的应用.

答案 方向性好、穿透力强；航海探测、医疗诊断、医疗治疗、金属探伤等.

【例3】 蝙蝠夜间出来活动从来不会撞到墙壁、树枝上，以下解释正确的是（ ） A.蝙蝠的眼睛有夜视功能 B.夜晚有月光

C. 蝙蝠发出超声波可以在物体上返回，根据回声就可以判定物体的位置和在距离 D. 蝙蝠的嗅觉很好，可以嗅出前面是否有物体

图4.4-6

思路与技巧 蝙蝠在飞行时发出超声波，超声波碰到墙壁或昆虫时反射回来，根据回声到来的方位和时间，蝙蝠就可以确定目标的位置和距离.声呐就是模拟蝙蝠回声定位的原理制成的仿生波装置.

答案 C.

3.次声波（subsonic）

低于20 Hz的声波称为次声波.其特点是传播时能量损失小，能传得很远. 4.次声波的应用

（1）预测自然灾害：火山爆发、龙卷风、海啸、台风等在发生前会先有次声辐射，利用次声监测仪进行预测.此外很多动物能听到次声，在台风来临时，海蚤听到了“警报”能到远处躲藏起来.地震前动物惊恐（草鱼跳跃，鸽子不安）；

（2）一定强度的次声波对人体造成严重危害，使人产生恐惧、恶心、神经错乱，甚至五脏破裂，强大次声波还会对机器设备、建筑物造成破坏；

（3）军事监测：在大气层内进行核爆炸会产生巨大的次声波，用一种高灵敏度的监测装置（又叫大耳朵）就可探测到核爆炸的强度和位置.目前已建成全球性核试验监测网.地球上任何一个角落进行的核试验都不可能逃过“大耳朵”的“监听”.

【例4】 阅读材料

水母的顺风耳

生活在海边的渔民看见过这样的情景：风和日丽，平静的海面上出现一把把小小的“降落伞”——水母.它们在近海处悠闲自得地升降、漂游.忽然水母像听见什么命令似的，纷纷离开海岸，游向大海，不一会儿，狂风呼啸，波涛汹涌，风暴来临了.

为什么水母能预知未来的风暴呢？科学家经过多年的观察研究，发现水母的听觉器官特殊，能够感觉到次声波.当风暴来临时，空气和波浪摩擦会产生振动频率为8～12Hz的次声波.次声波传播的速度比风暴快得多，这样水母就能提前知道即将到来的风暴.

根据水母听觉器官的构造，科学家设计了“水母耳”仪器，它是由喇叭、共振器、传感器和指示器等组成.出海的船只安装了这种仪器，便可以提前知道风暴从哪里来，强度如何，从而做好安全准备.

图4.4-7

请回答：（1）次声波传播有何特点？ （2）水母为何能预测风暴？

（3）举例说明水母这种特点的应用.

思路与技巧 这是一道信息收集处理题，考查信息的收集、处理和交流能力.材料的第二段“次声波传播速度比风暴快得多”“水母听觉器官特殊，能感觉到次声波”是中心句.

答案 （1）次声波传播的速度比风暴快得多； （2）水母听觉器官特殊，能感觉到次声波； （3）制成仿生仪器——水母耳风暴预测仪. 5.人和一些动物发声频率和听觉频率范围

说明 （1）每个人的听觉范围并不相同.有些年轻人可以感觉到低于20 Hz的声音，年龄越大，越听不见频率较低或较高的声音；

（2）各类动物之间的听觉范围区别较大.有些动物，如蝙蝠、海豚、飞蛾等能听见超声波，而大象、鲸等能听见次声波.

探究体验

【例5】 如图4.4-8所示，在一次魔术表演中，一名驯兽师问他带来的狗：“2＋2等于几”，狗立即叫四声.观众马上会为这条聪明的狗所倾倒，你能解释这种现象吗？

图4.4-8

思路与技巧 许多物理知识运用到魔术中.实际上还有一名助手在帮忙，利用兽类听觉频率和人的不同，发出兽能听见而人却不能听见的超声波的缘故.

答案 台下驯兽师的助手，吹了四下哨声，而这种哨声频率太高，人自己听不见，狗可听见因而立即叫了四声.

【例 6】 1932年的夏天，一位气象学家随着苏联探险船到北冰洋去考察天气.一天，他在放送探测气球时，无意地将脸颊贴了一下气球，竟感到了一种剧烈的震荡，疼得他大叫了一声.当天夜晚，探险船遭到了强风暴的袭击.

气球的震荡和未来的风暴是巧合，还是有什么联系？苏联科学家舒雷金决心进行一番研究.他们在靠海的研究站上不断放出气球，然后用仪器来记录那些气球震荡的情况，居然发现，在气球发生强烈震荡以后，往往会有风暴出现！简述这是什么原因.

思路与技巧 强风暴发生时要发出次声波，而次声波传播比风暴快得多，且能量损失得慢，传得远.

答案 强风暴发生时发生次声波，传播得快而远，引起气球的振动，振动气球具有能量，碰到脸颊上使人就感到很疼.

聊天室

话题：蝙蝠的导航系统

胖胖：蝙蝠为什么能在黑暗中飞翔自如，并能捕捉到昆虫？

老师：科学家做了一个有趣的实验：在房间里布上铁丝网，有的网孔比蝙蝠展开的翅膀还要小.把蝙蝠的双眼蒙住，再用摄像机摄录它的飞行情况，它们竟能飞行自如，穿来穿去，捕捉昆虫如图4.4-9.

图 4.4-9 蝙蝠的眼睛

乐乐：如果把蝙蝠的耳朵堵上，再让它睁着眼在黑暗的实验室里穿网捕食，情况怎样？ 老师：这一下，蝙蝠却成了“瞎子”，不时撞在网上，有时甚至落到地上，难道蝙蝠是用耳朵“看”东西吗？实验室里是静悄悄的，铁丝也没发出声音呀！

胖胖：再把蝙蝠的眼睛和耳朵全敞开，用棉球将它的嘴堵住，不知会怎样？ 老师：放入实验室后，蝙蝠又成了“瞎子”，碰网落地.这说明，蝙蝠是用嘴和耳来辨别方向、识别障碍的.蝙蝠的嘴是一个超声波发生器，每隔一定时间就发出一次超声波.它发出的超声波碰到障碍物就反射回来.蝙蝠的耳朵是个灵敏的超声波接收器，它利用反射回来的超声波判断前方有没有障碍.有的学者认为，蝙蝠利用超声波识别障碍物，并不是简单的回声测距，而是听到回声以后，能在脑中形成图像，蝙蝠体内可能存在一种“声全息感觉系统”.

快乐套餐

1.（多选题）关于声呐（sonar），下列说法正确的是（ ） A.它是利用次声波定位的 B.它本身必须能发射超声波 C.它本身必须能接收超声波 D.它能确定物体的远近

2.（太原市中考题）人能感受的声音频率有一定的范围，大多数人能够听到声音的频率范围大约是20～20000次每秒.人们把低于20次每秒的声音叫次声波，把高于20000次每秒的声音叫超声波.大象进行交流的“声音”是一种次声波，人类听不到大象的“声音”，是因为（ ）

A.大象发出的声音太小 B.次声波无法传到人耳

C.次声波的频率大于20000次每秒 D.次声波的频率小于20次每秒

3.（佛山市中考题）科学家在对蝙蝠的研究中，曾经用黑布将蝙蝠的双眼蒙上，发现蝙蝠也可以很正常地飞行，没有受到一点影响，这是因为（ ）

A. 蝙蝠在飞行时会发出次声波，根据回声定位原理来飞行

B. 蝙蝠的眼睛会发出超声波，穿透黑布，清楚地看到黑布外面的目标 C. 蝙蝠在飞行时会发出超声波，根据回声定位原理来飞行 D.黑布太薄会透光，蝙蝠可以很清楚地看到黑布外面的目标

4.地震是地球上某个部位发生的剧烈振动，人们却听不到这种振动的声音，这是由于（ ）

A.声音不够响 B.声音音调太高

C.声源振动频率低于 20 Hz D.声音是噪音而不是乐音

5.下列说法中不正确的是（ ）

A.利用强超声波对钢铁、宝石、金刚石等坚硬物体进行钻孔和切割加工

B.在建筑方面，设计、建造大厅堂时，必须把回声现象作为重要因素加以考虑

C.在石油勘探时，常采用人工地震的方法，即在地面上埋好炸药包，放上一列探头，把炸药引爆，探头就可以接受到地下不同层间界面反射回来的声波，从而探测出地下油矿

D.利用超声波能够预报地震、侦察台风和大气中的核爆炸 6.超声波具有 、 等特点.超声波主要应用于 、 、 、 等方面.

7.次声波具有 等特点，监测与控制次声波有助于减小它的危害，次声波主要应用于 、 、 等.

8.如图4.4-10，蝙蝠在飞行中发出 ，根据 到来的方位和时间确定目标的位置和距离，根据这一原理，科学家发明了 ，用来探测鱼群、探知海深等.

图4.4-10

9.下面是几种动物和人能听到的声音的频率范区（单位：Hz）： （1）鳄鱼：20——6000；（2）青蛙：50——8000； （3）猫：60——35000；（4）人：20——20000； （5）狗：15——5000；（6）知更鸟：250——21000. 上述的动物和人中，能听到次声的有 ，能听到超声的有 声和次声都听不到的是 .

10.声响是人们利用超声波 、 等特点制成的.监测与控制 它的危害，并可以用来预报地震、台风和监测核爆炸.

11.请把下列现象与有关知识用线连接起来：

次声波 超声波

，超

有助于减少

焊接 探伤 加工 预报地震 声呐 遥测核爆炸 12.如图4.4-11一艘渔船在海上用声呐探测鱼群，当向鱼群发出超声波后 4s收到返回的超声波，求这群鱼当时离渔船多远？若当超声波到达鱼群后，鱼群以3m／s的速度向远离渔船的方向直线游去，则渔船收到超声波时，鱼群游动了多远（超声波在海水中的速度为1500m／s）？

图4.4-11

13.1976年 7月28日我国唐山大地震前夕，离唐山不远的沿海渔场，许多鱼上浮、翻白；7月25日某鱼塘中的草鱼成群跳跃；7月27日“长湖号”油轮在天津大沽口海面，发现水母突然增多，鱼类惊恐不安.此外还发现老鼠逃出鼠洞，牛马不入圈，鸡犬不宁等异常现象，简述这是什么道理.

14.为什么超声波手术刀能除去体内的结石？

15.如图4.4-12，找一个豆奶盒，在其底部开一小孔，将豆奶排出，用手拍击薄膜部分.

图 4.4-12

猜一猜：这时你听到什么？发现什么？这说明什么物理道理.

16.（海口实验区中考题）图4.4-13中分别列出了几种动物可听到声音的最高频率和能发出声音的最高频率，请根据图表给出的信息回答下列问题：

（1）海豚能发出声音的最高频率为多大？狗可听到声音的最高频率为多大？

（2）如果声音在空气中的传播速度是330m／s，运用下面公式计算人可听到最高频率声音的波长.波长=速度/频率.

图 4.4-13

17.利用超声技术已开发出不少家电产品，如超声波洗衣机、超声波洗碗机等.次声波有什么用途呢？请到图书馆或互联网上查找有关资料，写一篇“超声技术与家电”或介绍“次声波应用”的科学报告.

18.夏天的郊外，你会听到许多你熟悉的声音，如蛐蛐叫、蛙叫„„但也有你听不到的声音，哪些物体发出的声音你听得到？哪些物体发出的声音你听不到呢？

19.人耳听不到声音的原因很多，但并不一定都是由于听不到“超声”和“次声”的缘故，也有其他原因，你能设计几个小实验概括说明一下人耳听不到声音的各种原因吗？

20.图4.4-14中的三幅图是超声波的应用，请将对应的序号填出：

（1）超声波测速 （2）用B超检测胎儿发育情况 （3）超声探测沉船和鱼群

； ； .

图4.4-14

21.阅读材料

白宫“闹鬼”

近日就有人传出美国白宫频频闹鬼，打开美国白宫官方网站，上面居然有一个关于“白宫幽灵”的链接.打开链接中的录像文件，看到夜幕下的白宫，一会儿某个卧室的门突然自动打开，某个地方突然发出神秘的声音；一会儿，房间里燃得好好的蜡烛又莫名其妙地熄灭„„

英国著名心理学家理查德·怀斯曼在一个音乐会现场做过这样的试验.在演奏的4首曲目中加入了低频音波，也就是振动频率低于20赫兹的次声波.

音乐演奏完后，理查德·怀斯曼让听众描述音乐带给他们的感受.到场的听众都说，乐曲演奏时他们产生了一系列奇异的感受，例如不安、悲伤、厌恶、害怕等，有的人甚至感到脊背上有凉意，这和人们感到在“闹鬼”的时候的感受极其相似.

中科院声学研究所谢金来研究员说，人体内脏固有的振动频率在 0.01赫兹到20赫兹之间和次声频率相近似，如果外来的次声频率与人体内脏的振动频率相似或相同，就会引起共振影响人的情绪，使人感到头晕、心烦意乱、焦虑甚至耳鸣、恶心等等.尤其是当人的腹腔、胸腔等固有的振动频率与外来次声频率一致时，更易引起人体内脏的共振，使人体内脏受损而丧命.

请回答：（1）你相信真的有“鬼”吗？ （2）为什么燃得好好的蜡烛会熄灭？ （3）人为什么有恐惧感？

（4）用一句话概括这些现象的实质. 22.阅读材料

仿生驱虫仪

在亿万年的生物进化过程中，许多昆虫具有逃避蝙蝠的本领，它们一听到蝙蝠的叫声就立即飞跑.这些惧怕蝙蝠的昆虫，大多数是农业害虫.

科学家的研究，启发了农业专家，他们想：能不能模仿蝙蝠发出的超声波，来驱赶农田害虫呢？

人们在棉田里播放21kHz的“假蝙蝠叫声”，吓得象鼻虫蛾闻声而逃.如图4.4-15所示.

图4.4-15 超声波驱虫

有一种玉米钻心虫，十分可恶，它的成虫也是夜里活动的蛾子.科学工作者发现，玉米钻心虫蛾子的腹部有成对的鼓膜器，如果用22 kHz的超声波刺激它，鼓膜神经便会有反应——这一定是对付蝙蝠的器官.于是，人们在野外进行了超声驱虫的实验：在实验田里，每晚播放超声波，使它的频率与强度和蝙蝠相同，从六月中旬开始，一直到玉米成熟，结果实验田受虫害的玉米远比对照田少.

请回答：（1）读完本文后你有何启发？ （2）举出生活中的仿生仪器.

参考答案

[快乐套餐] 1.B、C、D 2.D 3.C 4.C 5.D

6.方向性好；穿透力强；航海探测；医疗治疗；金属探伤；医疗；诊断 7.能量损失小；传播得远；预报地震；台风；监测核爆炸 8.超声波；超声波；声呐 9.狗；猫；知更鸟；青蛙

10.容易会聚；传播得远；次声波 11.

1＝3000m；鱼群游动的距离为：211s′=v′t′=3m/s×4s×=6m（点拨：超声波到达鱼群所用的时间为：t=4s×=2s，鱼群

22 12.鱼群当时离船的距离为：s＝vt＝1500m/s×4s×

接受超声波到超声波返回渔船的时间也为2s.利用s＝vt可求出这时鱼群游动的距离）

13.地震发出次声波，动物对次声波反应敏捷（点拨：动物与地震的关系，现仍处于探索阶段，其奥秘有待本书读者去探索）

14.超声波带有较大能量，碰到人体内结石时，结石会被击成碎片，加服中药便可顺利排出

15.听到拍击声；看到烛焰熄灭；声波能传递能量 16.（1）海豚；120KHZ；狗：50KHZ （2）1.65cm

17、18.略

19.（1）晃动胳膊，听不到，次声的原因 （2）远处听不到，响度太小的原因 （3）音箱中的纸盒撕掉，听不到，无法振动的原因

20.（1）C （2）A （3）B

21.（1）不相信 （2）次声波作用的结果 （3）次声波振动频率与人体内脏的振动频率接近 （4）次声波作用的结果

22.（1）略 （2）隐形战斗机、雷达等