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雷声与夜半钟声
[ 2007-10-9 17:53:00 | By: zdfzwkc ]
 

雷声与夜半钟声

 

在夏天,我们常遇到雷雨天气,可是为什么闪电的时间只是一瞬,而打雷声轰隆半天不断?还有,为什么夜间声音传得又远又清楚?以至于唐朝张继著名诗句“姑苏城外寒山寺,夜半钟声到客船”千古流传。   

有人会说,夜间安静,声音传得远。这当然是一个原因,但是它并不是最主要的原因。关键是夜间声音传播拐了弯。首先,声音是声源的振动扰动了空气,扰动以波的形式向外传。设想声源是地面上空的一个点,如果空气中部分声音传播的速度是相同的,由此传出的声波的波前是一个球面,声音传播的方向可以认为是和波前垂直的方向,即球半径的方向。但是,如果声音在大气中的不同高度传播速度不一样。这时波前就不再是球半径的方向,而发生了畸变。相应地,就发生了声音传播拐弯的现象。这种声音拐弯的现象也称为声折射现象。这好比一群人列队前进,一列一列就好比是一个一个的波,如果每一列的左边走得快了,整个队伍就会往右拐。同样,右边的快了,队伍就会往左拐。   

在地面附近,0时,声音的速度是每秒33145m,温度每升高1,声速每秒增加016m。我们人类活动在贴近地面的大气里。在高度20km以下,大气的温度变化十分复杂。白天,由于地面接受太阳辐射,温度升高。靠近地面的大气层温度比较高,也就是说近地的声速大于高空,这时声音传播会向高空拐。同样,在夜间,靠近地面的空气逐渐冷下来了,上空的气温相对较高,结果高空的声速比地面大,声音就会向地面折射,也就是说,原来传向上空的一部分声波又转向传到了地面,这就是声音在夜间相对传得远的道理。在寒冷的天气,尤其在结了冰的湖面或未结冰的水面,声音向地面折射的效果也是十分明显的。“月落乌啼霜满天”,张继写的是晚秋。不仅是夜半钟声,而且是晚秋天气的夜半钟声,听起来当然是格外清晰了!   

1(略)是白天和夜间声音传播的情况,(a)是白天,(b)是夜间。白天声音传播的路线往天空拐,夜间正好相反。不仅如此,白天由于声音往天空拐,地面上还会出现一个声静区,即在某一地方,一点也听不到传来的声音。

 

  关于声音的折射现象,到19世纪,欧洲学者才定量地研究了温度梯度与声音折射的关系。后来人们逐渐认识到,要了解大气中声音折射的复杂现象,得有一张声速沿高度变化的图,即声速与距地面高度的函数关系。据现在人们的实测以及理论计算,这个函数关系可以简略地表示为图2(略)。

我们看到,从B点到地面的数公里内,白天和晚上速度梯度相反。它可以解释地面声音晚上比白天传得远的原因。这条曲线拐了几个弯。请注意声速局部极小处C点,在这个高程上发音,任何方向的声音都会拐向水平。因为C点上面的声速比C点高,所以声音向上传时,必然拐向C点。同样,向下传时也会拐向C点。就是说,在这个高程上声音传得特别远。所以,人们把这个高程称为声道。在另一方面,具有声速局部极大值D点的情况则相反。当声音传播接近地面时,有一部分会折射返回声波来的那一侧,犹如波的反射。   

在第一次世界大战时,发现了一个奇特的现象。有一门不断发射的大炮,当有人驱车从数百千米外驶向它时,开始能够听到清楚的大炮声,后来在一段路上听不到炮声,再驶近又听到清楚的炮声了。这是怎么回事呢?原来在远处听到的炮声,是大炮声音向上传,经过类似刚才说到的D层反射回来的声音。后来驶入了声静区,再驶近则是能够直接听到声音的区域。

最后,我们来回答夏天的雷声为什么轰隆隆不断的问题。原因是沿竖直方向传播的声音反射,有时来回达若干次,就像在山谷中喊一声听到的不断的回声。事实上,夏天雷雨前声速分布比图2要复杂得多,由于近地的风、云声速分布不仅沿竖直方向有变化,沿水平也有变化,会造成极为复杂的声音折射和反射的现象。这就是闪电后雷声隆隆不绝于耳的原因。    

张继的诗是一千多年前所作,后人的研究表明:唐朝诗人所体会出声音传播规律是非常科学的。写诗与写文章,同进行科学研究一样,必须要仔细的观察和体会。

 

本文发表于《物理教学探讨》2002年第4P44-45

 

 

 
 
  • 标签:物理教学研究 
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