“声音具有能量”的实验证明

张伯林 朱敏

摘 要：声音具有能量，可以通过实验进行验证，初中物理教材中安排这方面的实验，在日常教学中有些教师也改进或者创新这方面的实验，但在教学中教师要理性地判断这些实验的科学性，选择合理有效的实验进行教学.

关键词：声音具有能量;声音灭火;声波的振幅;共振

中图分类号：G633.7     文献标识码：B     文章编号：1008-4134（2021）24-0028-03

作者简介：张伯林（1965-），男，山东济南人，本科，中学高级教师，研究方向：教具的自制与创新研究;

朱敏（1978-），女，山东济南人，硕士，中学一级教师，研究方向：探索高效课堂、信息与实验技术优化课堂.

声音是否具有能量，各种版本的初中物理教材都是通过实验加以论证，有的中考物理试题也常涉及到关于声音具有能量的实验，这些实验的呈现“繁华似锦”，是否都能证明声音具有能量？

1 实验例析

通常这类实验一般是用声波吹动或吹灭蜡烛，下面我们分析几个常见的实验，看看它们能不能证明声音具有能量.

实例1 纸筒灭火实验

（2011年菏泽地区）很多同学有过疑问“声音是否具有能量？它具有的能量与声音的响度和频率是否有关？”某同学对其中两个问题进行探究，实验装置如图1所示：A为一个圆筒，它的一端用剪成圆片的挺直的纸（纸的中间剪一圆孔）粘牢，另一端用塑料薄膜包住并绷紧，用橡皮筋扎牢.B为一只点燃的蜡烛.完成表1的内容.

为保证每次实验声音的频率相同，你的做法是________.

此试题涉及到的实验，能否可以证明声音具有能量？为此笔者重现本实验，实验过程完全按题目要求进行，为了能看清实验现象，笔者实验前在圆筒内装入烟雾.拍打圆筒后面的塑料薄膜，会看到一个烟圈从圆筒前面的圆孔飞出，当烟圈到达蜡烛火焰时，蜡烛火焰出现晃动，甚至熄灭.增加圆筒与蜡烛之间的距离再次实验，观察到的现象依然是烟圈到达蜡烛时，火焰出现晃动，并且烟圈到达火焰的时刻要远远滞后于在蜡烛处听到拍打塑料薄膜声音的时刻，这就充分证明：烟圈的运动不是声音，吹动烛焰的不是声音，而是烟圈.

那么，烟圈又是怎么回事呢？在中央电视台2016.7.3播出的《加油向未来》节目中给出了一个解释：敲打后部的塑料膜，容器内被挤压的空气冲出后形成“涡环”，在运动过程中能量损失较慢，所以运行距离较远.因此这个装置素有“空气炮”之称.

将此空气炮实验放在课堂上，学生都能够积极参与，感到有趣好玩，所以有些教师对此实验很钟爱.面对初中阶段的学生，我们如何解释此现象？从容器喷出的空气由于具有惯性继续向前运动，也就是说将此实验作为气体具有惯性的实验是不是更为贴切？

实例2 扬声器灭火实验

人教版八年级物理40页演示实验，如图2所示.

苏科版八年级物理11页演示实验，如图3所示.

为了证明声音具有能量，两个版本的教材都采用扬声器吹蜡烛的实验，实验现象为：当扬声器发出比较大的声音时，放在扬声器前面的蜡烛火焰出现晃动.以此为证，说明声波具有能量.

到底是不是声音导致蜡烛火焰晃动？仔细观察实验现象，有两点不容忽视：（1）扬声器在播放打击乐、重低音的情况下，才有明显的实验现象——蜡烛火焰晃动;（2）蜡烛火焰晃动都是向远离扬声器的方向运动，在火焰倾斜的基础上，还会看到火焰轻微地抖动.

为了弄清楚这些现象，笔者先重点介绍一下扬声器（如图4所示），扬声器的原理是通电线圈在磁场中受力运动，当线圈流过音频电流时，线圈在磁场中受到变化的力带动纸盆振动发声.纸盆的振动距离越大，对低音的表现力就越好，为此扬声器有个技术术语叫“扬声器冲程”（线性冲程）：扬声器音圈的最大行程就叫“冲程”，这个冲程有多大？直径6～8英寸的扬声器的最大单向冲程一般在3～6mm，也就是说，扬声器的纸盆最大移动距离可达10mm，造成纸盆大距离移动的通常是脉冲形的音频信号，比如重低音的打击乐声音就是这样的信号.了解到这里不难发现，其实这个实验与实例1中的“空气炮”有类似之处，都是用“膜”推动空气，不同之处在于扬声器的“膜”的振动将手动改为电动.

我们可以得出这样的结论，扬声器发出脉冲形成声音时，纸盆前后大范围且快速地移动，推动纸盆前方的空气向前运动，形成一股气流，在这股气流的作用下蜡烛火焰出现晃动，这样同时也解释烛焰为何单方向远离扬声器运动.

有的教师将扬声器吹蜡烛的实验进行了改进，如图5所示，利用这样的装置实验时，将手放在瓶口处会感到一股股气流喷到手上，这样的改进其实就是将手动空气炮改成电动空气炮，气流的喷出实质是纸盆推动空气的结果.

实例3 发令枪灭火实验

实验器材：田径比赛时用的发令枪，蜡烛，大一些的抛物面反射镜一对（或小铁锅一对），直径30cm、焦距8cm的抛物面反射镜，光具座，烛台，十字夹，试管夹，铁架台等.

实验方法：实验装置如图6所示.

（1）将直径及焦距相同的兩个抛物面反射镜分别固定在铁架台上相向放置，间距约60～70cm，间距大小依照抛物面反射镜或锅的大小灵活而定.

（2）在两个抛物面反射镜下方放置一个光具座.

（3）测定抛物面反射镜的焦距.方法一：应用公式求之;方法二：在阳光下借用一把直尺测量.

（4）在两个抛物面反射镜的中间放一支或几支点着的蜡烛，在左侧反射镜的焦点处也放一支点着的蜡烛.

（5）在右侧的抛物面反射镜的焦点处打响发令枪，就可以发现左侧反射镜焦点处的蜡烛熄灭，而两抛物面反射镜中间的其他蜡烛未被“吹灭”.

实验原理：抛物面反射镜起到将声音集中到一点（焦点）的作用，在声音集中的地方点燃一支蜡烛，随着“啪”的一声枪响，声音在两个抛物面反射镜之间传播—反射—传播—反射—会聚，通过左侧抛物面反射镜焦点处声波最强，能量最大，空气的振动集中于那一点，蜡烛被“吹灭”.而中间的其他蜡烛未被“吹灭”的原因是它们所处位置的声波强度不如焦点处能量大.

发令枪熄灭蜡烛，能不能说明声音具有能量？笔者先介绍一下“激波”的有关知识.

当传播介质受到强扰动时，会产生一种不连续峰在介质中以超声速传播，这个峰导致介质的压强、温度、密度等物理性质跳跃式改变，这种波就叫激波.一般说来， 产生激波有两种方法：一种方法是利用火药的爆炸，比如烟火爆竹的爆炸可以产生激波;另外一种方法是利用物体的高速运动，例如发射出去的炮弹和超声速飞行的飞机.

在自然界中，所有的爆发情况都伴有激波，激波总是在物质膨胀、速度变得大于局域声速时发生.以下是几个产生激波的实例（如图7所示）.

由此我们可以断定，在发令枪熄灭蜡烛的实验中，发令枪也会产生激波，激波在传播过程中遇到两个铁锅被反射，并在蜡烛处会聚，较为强大的激波导致蜡烛熄灭.那么激波是否属于声波？

先比较激波与声波的区别.（1）传播速度：激波的速度大于未扰动介质的音速;（2）状态参数变化形式：激波状态变化突跃，声波状态变化接近于零;（3）介质移动：激波介质有位移，声波介质只在平衡位置来回振动;

（4）波速影响因素：激波跟冲击波的强度有关，声波仅与介质状态参数有关;（5）周期性： 激波无周期，声波有周期性;（6）热力学特征：激波熵增大，声波等熵.

不难看出，激波跟声波存在较大的区别，可以肯定的是，激波不是传统意义上的声波.发令枪灭火，是因为弹壳中的火药爆炸，产生激波，推动空气快速移动，从而吹灭蜡烛.

2 单纯依靠声音能不能灭火

单纯靠发声体发出的声音能不能“灭火”？多大的声音能够灭火？将蜡烛火焰置于“声音”中，火焰的晃动必然是随波而动，晃动幅度的大小是由声波的振幅决定，有人会问，当声波的振幅足够大时，是不是就可以熄灭蜡烛？让我们先分析声波的振幅有多大.

根据人们的经验，50Hz的声波灭火效果比较好，当声音大到120dB（实际吹蜡烛的实验达不到这个值）已经达到痛觉域，根据LP=20lg（pm/p0），式中听觉域：p0=2×10-5Pa，声压级：LP=120dB，可以求得有效声压：pm=20Pa.

声音在空气中传播时，其振幅可以根据下面的公式计算：pm=2πfρvA，式中，取声音的频率f=50Hz，空气的密度=1.29kg/m3，声音在空气中的传播速度v=340m/s，计算可得介质最大振幅为A=0.15mm，最大位移为0.3mm.可以想象，将竖直方向的蜡烛火焰置于水平传播的声音之中时，我们只能看到它的轻微抖动，但不会因为轻微抖动而灭掉.

继续增大声音的响度，50Hz的声音增大到140dB会怎样？经过计算可知，声音振幅可达1.5mm，介质最大位移3mm，此时火焰抖动现象会明显很多，但抖动范围不超过蜡烛火焰的宽度，火焰也不会熄灭.但这样的声音，人耳已经无法承受，通常声音吹蜡烛实验不会在这样的声音环境中进行.

综上所述，在上面所涉及到的声音吹蜡烛实验中，火焰“抖动”反映声音的振动;蜡烛熄灭的原因不是由于介质（空气）的往复振动所致（介质振幅太小），而是由于空气炮薄膜、扬声器纸盆等发声体的爆发式运动挤压空气，形成远离发声体运动的气流，才吹灭蜡烛.实验中教师们刻意用声音吹灭蜡烛来证明声音具有能量并不科学，用“火焰的轻微抖动”来证明反而更合理.

3 声音能量的证明实验改进

用什么实验可以证明声波能量的存在呢？

最简单的现象就是，教师在讲课时同学们能够听到声音，其原因就是当声波传到耳膜时，声波因为具有能量而推动耳膜发生振动.但这种的现象似乎太平淡无奇，如何能通过实验让学生“看到”声波的能量？增大声波的振幅就可以实现，共振无疑是个增大振幅的好办法.

音叉共振实验：人教版教材曾经出现过，敲击右边的音叉，左边的音叉也能振动发声，并将小球弹开，这无疑是声波具有能量的较好证明，但这个实验对实验条件要求较高，比如共鸣箱共鸣频率的一致性、小球跟音叉之间的距离等要求较高，成功的難度较大.

量筒共鸣实验：此实验曾经出现在中央电视台《是真的吗：用声音也能灭火？》，如图8所示，实验中用到两个50mL的量筒，一台带吹气功能的吸尘器.当用吸尘器吹左侧的量筒发声时，放置在右侧量筒口的蜡烛熄灭，其原因是右边量筒中的空气发生共振产生驻波，驻波的波腹就在瓶口处，因为共振，波腹不断叠加，振动幅度不断加大使得烛焰散热加快，直到熄灭.此实验现象明显而有趣，但可能因为有的学校没有配备这样的吸尘器，给实验带来困难.

共振实验的改进：量筒共鸣实验可以改进，用两个相同的饮料瓶子代替两个量筒，用功率稍大（比如1500W）的电吹风代替吸尘器，电吹风的功率大只是为了取得大一点的风力，实验中不需要热风，最好是具有冷风档位的电吹风，这样就可以将证明声波具有能量的实验轻松带入课堂.

物理是以实验为基础的学科，如果教师只是做到将大量的实验呈现出来，这就是成功教学吗？我们不能只当实验的搬运工.当一个新的实验诞生时，作为一线科学教师，应富有思辨精神和质疑品格，再现探究实验的真实性与科学性，查找实验中存在的不足，敢于质疑、探索，格物致知，尽可能地避免向学生提供错误的科学认知.同样，这样的品质也会影响、熏陶学生，使其在物理中学会质疑与探索，收获不一样的发现与惊喜，这也是科学进阶的魅力，是物理核心素养的养成.

参考文献：

[1]漆安慎，杜婵英.力学基础[M].北京：人民教育出版社，1982.

[2]刘克桓.物理教师手册[M].北京：人民教育出版社，1998.

[3]马大猷.现代声学理论基础[M].北京：科学出版社，2004.

[4]徐红华.自制声音能量演示器[J].实验教学与仪器，2010，27（01）：43.

[5]姚鸿栋.能量观念的内涵分析[J].物理通报，2021（S1）：37-40.

（收稿日期：2021-07-25）