一道初中物理题引发的思考

摘 要：本文从一道初中物理题出发，研究了影响声速的因素，并从微观分子角度解释了声速与不同状态物质之间的关系；利用声速公式分析了声速与温度之间的定量关系；通过音素音标解释了倒放声音的原理。

关键词：声速；声速公式；音素；倒放音频

1 问题由来

教师在苏科版物理八年级上册的教学中经常会遇到类似于下面这样的题目。

例题 请你想象一下，如果声音在空气中传播的速度变为0.1m/s，小华看到小李正在前方不远处等他，于是一边奔跑，一边对着小李大声喊道：“我来也。”此时发生的情况是（" ）。

A. 和正常时一样

B. 小华先追上小李，然后小李才听到“也来我”

C. 小李什么也听不到

D. 小华先追上小李，然后小李才听到“我来也”

这个题目的参考答案是B，对此，笔者有两点疑问：（1）声速在什么条件下可以变为0.1m/s？（2）若假定能变为此声速，那么“我来也”真的可以转化为“也来我”吗？

本着实事求是的态度，笔者对这两个问题进行了研究。

2 声速与温度的关系

2.1 声音的传播方式

声音的传播类似于水波和弹簧中的疏密波，当

声音在介

质中传播时，介质中的分子在平衡位置附近反复振动（见图1），从而在介质中形成疏密相间的波动，向远处传播，最后进入人耳被人听到。［1］

正常均匀介质中的分子分布声波在均匀介质中传播时介质中的分子分布

2.2 声速

声音在任何介质中传播都是需要时间的，也就是说声音的传播是有速度的。［2］声速主要跟介质种类、温度、压强等因素有关。［3］一般情况下，声音在固体中传播的速度最快，在液体中次之，在气体中最慢。例如，通常情况下，声音在空气中传播的速度约为340m/s，在水中传播的速度约为1500m/s，在钢铁中传播的速度可达5200m/s。这是因为声音的传播速度跟介质的反抗平衡力有关，反抗平衡力就是当物质的某个分子偏离其平衡位置时，其周围的分子为把它“挤”回到平衡位置上所施加的力。反抗平衡力越大，声音传播得就越快。［4］固体分子的反抗平衡力一般大于液体分子，气体分子的反抗平衡力最小。金刚石分子的反抗平衡力非常大，所以声音在金刚石中传播的速度是目前已知的最高声速，其可以达到18000m/s。

在液体和固体中，声速受温度和压强变化的影响相对较小，因此在同一固体或液体介质中，声速基本上是一个常量。而在气体中，声速受压强和温度变化的影响相对较大，且温度越高，声速越大。这点并不难理解，当气体温度升高时，气体分子的平均动能变大，分子运动得更快，这也是夏天声音传播得比冬天要快的原因。

该公式表明，空气温度越高，声速越快；反之，空气温度越低，声速越慢；当温度t＝0℃时，空气中的声速是332.55m/s。利用上述声速公式我们可以计算出，要让声速为0.1m/s，空气温度大约为2.5×10－5K，而目前我国中科院研发的无液氦稀释制冷机能够达到的最低温度只有0.01K，这个温度也是目前世界上能够实现的最低温度。此时根据公式不难算出，在0.01K的极低温度下，空气中声速最小可达2m/s。第一点疑问得以解答。

3 声音倒放原理

如果声音的传播速度真的能够变为0.1m/s，而人行走的速度约为1.4m/s，奔跑的速度约为5m/s，此时声速小于小华跑向小李的速度，所以一定是小华先追上小李，小李再听到小华的声音。当小华追上小李时，其发出的声音才陆陆续续到达小李处。此时，小李在终点处先听到小华后发出的声音，后听到小华先发出的声音，所以原题给出的答案是小李听到“也来我”。但是仔细分析一下，可知这些声音并不是以字为单位传播的，而是以一个个音素（语音的最小单位）为单位传到终点（小李处）的（见图2）.

图2是小华刚到达终点时，其发出声音的音素与音素所对应的国际音标所在位置的示意图。在终点的两人陆续听到的声音是“［e］、［j］、［i］、［ɑ］、［l］、［o］、［w］”。考虑到听到的音调也会发生变化（二四音调互换、一三音调不变），此时听到的声音应是“［ě］、［j］、［i］、［ɑ］、［l］、［ǒ］、［w］”。将音素组合成类似汉字发音的音节，［ě］音似“诶”，“［j］、［i］、［à］”音似“亚”，“［l］、［ǒ］、［w］”音似“搂”，因此小华和小李最终听到的声音类似“诶、亚、搂”。

这个结论需要通过实验来验证。然而，在现实生活中，我们想通过超声速奔跑来听到这样的声音是不可能的。那么，我们该怎么做呢？其实小华他们在终点听到的声音相当于将小华发出的原声进行了倒放。现在的很多软件都有音、视频倒放的功能，我们可以通过这些软件来感受下倒放带来的乐趣。

理解了倒放的原理后，我们就可以在不借助软件的条件下，推断出各种原声的倒放音频效果。例如，将原声“我喜欢物理”进行倒放，我们将会听到什么呢？首先我们拆解这句话的每一个音素音标并加上音调，“我喜欢物理”的音素是“［w］、［ǒ］、［］、［ǐ］、［h］、［u］、［ā］、［n］、［wù］、［l］、［ǐ］”，将其倒放并将音素组合成类似汉字发音的音节，则有音［ǐ］似“倚”，音 “［l］、［wú］”似“卢”，音“［n］、［ā］”似“那”，音“［u］、［h］、［ǐ］”似“为”，音“［］、［ǒ］、［w］”似“首”，合在一起听起来有点像“一路难回首”，真的是其乐无穷。

4 结论

笔者从一道物理题中产生的两点疑惑出发，本着实事求是的态度，研究了影响声速的因素，从微观分子振动角度阐述了声音如何在不同介质中传播；从分子反抗平衡力的角度解释了声速与不同状态物质之间的关系；利用修正后的牛顿声速公式分析了低温状态下声速与温度之间的定量关系；通过音素音标解释了倒放声音的原理。

随着科技的不断发展和进步，各类人工智能产品逐渐进入我们的家庭，影响着我们的生活。语音识别作为人工智能的重要组成部分，其实现过程实际上是先将声音分解成更小的帧，提取出MFCC（梅尔频率倒谱系数）特征，然后通过计算机中的声学模型将这些语音特征对应到音素，进而组合成单词，最终形成句子。教师可以通过文中的示例，帮助学生更好地理解语音识别的基本原理。同时，在编制题目时，出题者应保持严谨的科学态度，在确保题目具有趣味性的同时，避免出现科学性错误。

参考文献

［1］张蓓.为促进初中生声学概念转变的探究教学设计研究［D］.桂林：广西师范大学，2011：19-20.

［2］顾维.利用录音软件设计声音传播速度的创新探究活动［J］.中学物理，2021，39（16）：38-39.

［3］康顺.结合Arduino开源电子平台探究声速与温度之间的关系［J］.物理通报，2021（7）：124-127.

［4］易欣欣.嘿，听到我的咆哮了吗［J］.发明与创新（中学生），2021（4）：11.

［5］曾铁.法国物理学家S.D.泊松传记［J］.物理教师，2009，30（7）：49-52.