“聲現(xiàn)象”、“物態(tài)變化”競(jìng)賽專題輔導(dǎo)

編者按：從本期起開(kāi)設(shè)初中應(yīng)用物理知識(shí)競(jìng)賽講座專欄，主要通過(guò)例題解讀對(duì)基本知識(shí)和基本技能進(jìn)行適當(dāng)擴(kuò)展。突出實(shí)驗(yàn)探究和相關(guān)知識(shí)在實(shí)際問(wèn)題中的應(yīng)用。

第一講 聲現(xiàn)象例1 人的心臟跳動(dòng)、呼吸以及內(nèi)臟蠕動(dòng)等，都會(huì)發(fā)出聲音。有病變時(shí)，聲音與正常情況相比是不同的，根據(jù)聲音為患者診病，這是很古老的醫(yī)學(xué)發(fā)明，瞧，如圖1醫(yī)生正在用聽(tīng)診器為病人診病呢，聽(tīng)診器是通過(guò)橡皮管將聲音傳送到耳朵的，請(qǐng)說(shuō)說(shuō)，這樣做有什么好處?

講解來(lái)自人體內(nèi)臟的聲音很小，除非將耳朵直接貼近人體，否則將難以聽(tīng)到，使用聽(tīng)診器，聲音在橡皮管中傳播，比較集中，這樣可以使聽(tīng)到的聲音響度較大，(注意：本題是要回答“使用聽(tīng)診器的好處”，而不是要求回答“如何根據(jù)聲音的音調(diào)或音色來(lái)判斷病變情況?！?

例2 你注意過(guò)嗎，同一輛摩托車從寬闊的馬路上駛過(guò)和從居民區(qū)的小巷子駛過(guò)，聽(tīng)起來(lái)聲音的大小有什么不同?能說(shuō)出為什么會(huì)有這種的不同嗎?

講解這是一個(gè)與聲音的響度以及聲音的反射(回聲)有關(guān)的現(xiàn)象，摩托車從巷子駛過(guò)，聽(tīng)起來(lái)聲音特別大，原因有兩個(gè)方面：

一是，巷子兩側(cè)有建筑物，而且比較狹窄，所以聲音比較集中，因而響度大；

二是，由于巷子狹窄，聲音經(jīng)建筑物反射的回聲與原聲混在一起，使原聲加強(qiáng)，從而提高了響度。

相關(guān)知識(shí)：在發(fā)生雷電時(shí)，雖然雷電只發(fā)生了一次，但人們聽(tīng)到的卻是隆隆雷聲，這是因?yàn)椋豪茁曉谠茖?、山丘及地面之間會(huì)發(fā)生多次反射，反射的回聲傳到人耳的時(shí)間比原聲到達(dá)人耳的時(shí)間晚0.1s以上，所以聽(tīng)到的是“一串”雷聲。

例3 用一根棉線連接兩個(gè)紙筒(或易拉罐)，可以做成了一個(gè)“土電話”，瞧，圖2中的兩位小朋友正在通話呢!請(qǐng)你解釋以下兩種現(xiàn)象：

(1)用這樣的土電話進(jìn)行通話時(shí)，線必須拉直繃緊，否則就聽(tīng)不到聲音，這是為什么?

(2)用這樣的土電話進(jìn)行通話時(shí)，如果線碰到墻壁，或有另外一位小朋友用手掐住線上某處，也不能聽(tīng)到聲音，這是為什么?

講解應(yīng)該明確：聲音在介質(zhì)中傳播，是因?yàn)槁曉凑駝?dòng)引起介質(zhì)振動(dòng)而形成聲波，如果介質(zhì)不能振動(dòng)就不能傳播聲音，或者傳播過(guò)程中受到阻礙也不能繼續(xù)傳播。

(1)拉直繃緊的棉線有一定的彈性，聲源振動(dòng)會(huì)引起棉線振動(dòng)，即聲源的振動(dòng)會(huì)沿棉線傳播，如果棉線松軟就不能振動(dòng)，也就不能傳播振動(dòng)。

(2)當(dāng)棉線碰到墻壁或用手掐住線上某處時(shí)，振動(dòng)傳播到此處時(shí)會(huì)受到阻礙，因而不能繼續(xù)傳播。

例4對(duì)于提琴、吉他、二胡等這些弦樂(lè)器來(lái)說(shuō)，即使在弦的張緊程度相同的條件下，發(fā)聲的音調(diào)高低還會(huì)與弦的粗細(xì)、長(zhǎng)短及弦的材料有關(guān)，小華想通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行具體的探究，實(shí)驗(yàn)時(shí)，可選用的琴弦有如下表中所列的幾種規(guī)格：

(1)探究音調(diào)與琴弦粗細(xì)的關(guān)系，應(yīng)該選用編號(hào)為_(kāi)____的琴弦：

(2)探究音調(diào)與琴弦材料的關(guān)系，應(yīng)該選用編號(hào)為_(kāi)____的琴弦：

(3)探究音調(diào)與琴弦長(zhǎng)度的關(guān)系，應(yīng)該選用編號(hào)為_(kāi)____的琴弦：

講解由于琴弦的音調(diào)可能與多種因素有關(guān)，因而探究時(shí)應(yīng)按照控制變量的要求選擇琴弦。

(1)為探究音調(diào)與琴弦粗細(xì)的關(guān)系，應(yīng)選用材料、長(zhǎng)度都相同而橫截面積不同的琴弦，所以應(yīng)選用A、B兩根弦。

(2)為探究音調(diào)與琴弦材料的關(guān)系，應(yīng)該選用長(zhǎng)度、橫截面積都相同而材料不同的琴弦，所以應(yīng)選用D、E兩根弦。

(3)為探究音調(diào)與琴弦長(zhǎng)度的關(guān)系，應(yīng)該選用材料、橫截面積都相同而長(zhǎng)度不同的琴弦，所以應(yīng)選用C、E兩根弦。

例5有人說(shuō)：敲鼓時(shí)，鼓錘敲打的頻率每秒鐘一般不超過(guò)20次，按照課本上介紹的知識(shí)，頻率為20Hz以下的聲音是次聲，人應(yīng)該聽(tīng)不到，可是事實(shí)上人是聽(tīng)到鼓聲的對(duì)此，你作何解釋?

講解本問(wèn)題中，鼓是發(fā)聲體，敲打是為了使鼓面振動(dòng)，敲打鼓的頻率與鼓面振動(dòng)的頻率是兩回事，能否聽(tīng)到鼓聲并不決定于敲打鼓的頻率，而是決定于鼓面振動(dòng)的頻率因?yàn)?，敲打一次鼓面，鼓面的振?dòng)并不是一次，鼓面振動(dòng)的頻率是在人的可聽(tīng)聲范圍。

例6某次100m田徑比賽，計(jì)時(shí)員在終點(diǎn)位置計(jì)時(shí)如果當(dāng)時(shí)的環(huán)境條件是：氣溫為15℃、逆風(fēng)、風(fēng)速為2.5m／s，聲速與氣溫有關(guān)，下表提供了聲速在靜風(fēng)(無(wú)風(fēng))時(shí)隨氣溫變化的部分參考值，可以反映聲速隨氣溫變化的規(guī)律，那么，當(dāng)時(shí)發(fā)令槍聲傳向計(jì)時(shí)員的實(shí)際速度是_____m／s。

講解解答時(shí)要注意一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：表格提供的是“無(wú)風(fēng)”條件下聲速隨氣溫變化的參考值，而比賽現(xiàn)場(chǎng)是風(fēng)速為2.5m／s的逆風(fēng)因此應(yīng)分兩步求解：

(1)無(wú)風(fēng)條件下，由表中看出：溫度每上升2℃，聲速相應(yīng)增加1.2m／s，即溫度每上升1℃，聲速增加0.6m／s從10℃到15℃，溫度上升5℃，聲速增加5×0.6m／s=3m／s，因此無(wú)風(fēng)條件下發(fā)令槍聲的聲速是337.5m／s+3 m／s=340.5 m／s。

(2)由于是逆風(fēng)，實(shí)際的聲速會(huì)偏小，所以當(dāng)時(shí)發(fā)令槍聲傳向計(jì)時(shí)員的實(shí)際速度是：340.5 m／s-2.5m／s=338m／s。

第二講 熱現(xiàn)象

例7冬天手冷時(shí)，用嘴向手上“哈氣”手會(huì)感到暖和，而向手上“吹氣”時(shí)，手不但不會(huì)暖和，反而更冷，這是什么原因?

講解先想想“哈氣”和“吹氣”分別是怎樣的動(dòng)作，有什么不同；“暖和”意味著吸熱升溫，而“更冷”則是散熱降溫。

冬天人呼出的氣體(水蒸氣)溫度比手的溫度高，“哈氣”就是呼出溫度較高的水蒸氣，溫度較高的水蒸氣遇到冷手時(shí)液化放熱，所以手感到暖和。

“吹氣”則不同，吹氣是使空氣流動(dòng)加快，從而加快了皮膚表層水分的蒸發(fā)，由于蒸發(fā)吸熱使手的溫度降低，所以手感到更冷，

例8有一種木膠(木料粘合劑)，平常是固態(tài)的服用前，規(guī)定在不超過(guò)100℃的溫度條件下使它熔化，如果超過(guò)100℃，就會(huì)降低粘性，甚至?xí)兘梗瑸榇?，有人特制了一種雙層鍋，內(nèi)鍋里放膠，內(nèi)鍋和外鍋的夾層里注水，如圖3所示，用這種雙層鍋熬膠，就不會(huì)把膠熬焦試說(shuō)明物理道理。

講解這是“液體沸騰的特點(diǎn)”在技術(shù)上的應(yīng)用，當(dāng)夾層里的水沸騰后，盡管繼續(xù)加熱，水溫可以保持不變，從而確保膠的溫度不超過(guò)100℃。

例9如果給半壺水加熱，其溫度與時(shí)間的關(guān)系圖線為如圖4中的。(實(shí)線)所示在其他條件不變時(shí)，如果給一壺水加熱，那么，溫度與時(shí)間的關(guān)系將是圖4中的圖線(選填“6”“c”或“d”)，其理由是___。

講解

由圖看出，每條圖線均有表示吸熱升溫和吸熱溫度不變兩部分組成其中“吸熱溫度不變”表示的是水的沸騰過(guò)程。

“給一壺水加熱”對(duì)應(yīng)哪條圖線?其實(shí)應(yīng)先將“理由”想清楚，第一，一壺水比半壺水多，升溫應(yīng)該比較慢，從這個(gè)角度分析，對(duì)應(yīng)的圖線可能是c，也可能是d；第二，不論是半壺水還是一壺水，都是水，而水的沸點(diǎn)應(yīng)該是相同的，即沸騰時(shí)的溫度應(yīng)該與。圖線相同，由此可以確認(rèn)，給一壺水加熱所對(duì)應(yīng)的圖線應(yīng)該是c。

例10如圖5表示這樣的情景：甲、乙兩個(gè)房間里，各有一個(gè)同樣的水壺在燒水，且水都已經(jīng)燒開(kāi)了，你能從圖上看出所發(fā)生的現(xiàn)象有什么差異嗎?請(qǐng)解釋出現(xiàn)這種差異的原因。

講解能夠明顯觀察到的現(xiàn)象差異是：甲房間水壺嘴上方的“氣團(tuán)”大些，關(guān)于原因，有的同學(xué)可能會(huì)說(shuō)：由于甲房間水壺里的水沸騰得更劇烈(更厲害)，所以它噴出的水蒸氣多些，其實(shí)這是不對(duì)的。

首先，要搞清楚壺嘴上方的“氣團(tuán)”是什么，同樣的水壺，同樣是水，沸騰時(shí)的溫度是一樣的，因此，不存在誰(shuí)沸騰得更劇烈或更厲害的問(wèn)題，據(jù)平時(shí)觀察，壺嘴上方出現(xiàn)的是“白色氣團(tuán)”，這些看起來(lái)是白色的氣體，實(shí)際上是由于外界環(huán)境溫度比較低，水蒸氣液化形成的大量的小水珠如果外界環(huán)境溫度比較高，噴出的水蒸氣不容易發(fā)生液化，看到的“白色氣體”就少；外界環(huán)境溫度越低，噴出的水蒸氣就越容易液化，看到的“白色氣體”就越多，因此，真正的原因應(yīng)當(dāng)是：甲房間的溫度比較高，乙房間的溫度比較低，

例11

有一支溫度計(jì)，它上面所標(biāo)的0－100℃之間有100個(gè)刻度線，刻度線是均勻的，但多次測(cè)量發(fā)覺(jué)它和用別的溫度計(jì)測(cè)量的讀數(shù)不同，后來(lái)在檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)測(cè)量冰水混合物的溫度時(shí)，其讀數(shù)是5℃，而在測(cè)量實(shí)際為100℃的沸水溫度時(shí)，其讀數(shù)為95℃，若該溫度計(jì)放在某室內(nèi)時(shí)的讀數(shù)為23℃，那么該室內(nèi)的實(shí)際溫度為_(kāi)____。

講解求實(shí)際溫度的最好辦法是畫(huà)圖尋找關(guān)系，如圖6所示。

把它顯示的5℃，看作是零刻線以上的第5格，把95℃看作是零刻線以上的第95格，23℃看作是零刻線以上的第23格，第5格實(shí)際所對(duì)應(yīng)的溫度是0℃，第95格實(shí)際所對(duì)應(yīng)的溫度是100℃，那么第23格實(shí)際所對(duì)應(yīng)的是幾度呢?

觀察圖可知，該溫度計(jì)每格代表的溫度是100℃/90格

由于5格(真正的0℃)到23格之間有18格，這18格所代表的溫度是實(shí)際溫度因此，實(shí)際溫度是：t=100℃/90格×18格=20℃

例12小芳同學(xué)探究泡沫塑料和棉絮的保溫性能，她分別用這兩種材料包著裝有熱水的密閉燒瓶(瓶中插有溫度計(jì))，讓其自然冷卻，每隔10min讀一次溫度計(jì)的讀數(shù)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)下表：

(1)她是通過(guò)觀察______來(lái)判斷不同材料的保溫性能的，由于進(jìn)行的是比較性實(shí)驗(yàn)。所以在實(shí)驗(yàn)時(shí)，除了取大小、厚度相同的泡沫塑料和棉絮外，還應(yīng)考慮影響水溫變化的其他因素，如燒瓶相同、水的初溫以及相同，并置于相同環(huán)境中。

(2)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：實(shí)驗(yàn)時(shí)的環(huán)境溫為_(kāi)_____℃：經(jīng)歷相同時(shí)間，用泡沫塑料包的那個(gè)燒瓶中的水降溫______，所以可得的初步結(jié)論是________。

(3)除了根據(jù)相同時(shí)間水的降溫情況來(lái)比較這兩種材料的保溫性能外，還可以根據(jù)降低相同溫度所需的時(shí)間來(lái)比較這兩種材料的保溫性能，例如：______。

講解第一個(gè)問(wèn)題涉及實(shí)驗(yàn)原理與方法，應(yīng)該知道，“保溫”是針對(duì)溫度變化的，吸熱會(huì)升溫，散熱會(huì)降溫，本題的“保溫”是針對(duì)“散熱降溫”的因此，從實(shí)驗(yàn)原理看，小芳的實(shí)驗(yàn)是通過(guò)觀察“溫度變化”來(lái)判斷不同材料的保溫性能的，比較性實(shí)驗(yàn)必須控制變量，所以除了題目中已說(shuō)明的一些相同條件外，還應(yīng)包括“水量”(水的多少)。

第二個(gè)問(wèn)題是數(shù)據(jù)分析，初溫為80℃的水，經(jīng)歷相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間后，最終會(huì)與環(huán)境溫度相同，因此，從表格最后一欄看，環(huán)境溫度是：20℃，從每隔10min記錄的溫度看，每次都是用泡沫塑料包的那個(gè)燒瓶中的水“降溫少”，所以可得的初步結(jié)論是“泡沫塑料的保溫性能好些”。

第三個(gè)問(wèn)題涉及運(yùn)用數(shù)據(jù)說(shuō)明問(wèn)題的又一種方法，即“根據(jù)降低相同溫度所需的時(shí)間也能比較兩種材料的保溫性能”，例如：溫度降到20℃，包著泡沫塑料的需經(jīng)歷180min，而包著棉絮的只需150min。

例13小剛設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，將水和酒精混合后放入一個(gè)透明冰柜中，每隔2min觀察一次置于液體中的溫度計(jì)讀數(shù)，他把觀察到的現(xiàn)象與溫度記錄如下表：

(1)在圖7中作出混合液溫度隨時(shí)間變化圖像。

(2)從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，水和酒精混合液的凝固點(diǎn)是

(3)你認(rèn)為水和酒精混合液的凝固點(diǎn)比水的凝固點(diǎn)低的原因是什么?________

(4)水和酒精混合液的凝固點(diǎn)并是固定不變的，那么，水和酒精混合液的凝固點(diǎn)會(huì)與什么因素有關(guān)呢?請(qǐng)根據(jù)你的思考提出一個(gè)合理的猜想：_____。

講解(1)見(jiàn)網(wǎng)8

(2)液體必須達(dá)到凝固(結(jié)冰)溫度(凝固點(diǎn))時(shí)才開(kāi)始凝固，并且在凝固過(guò)程中溫度保持不變由此，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，水和酒精混合液的凝固點(diǎn)是-6℃。

(3)因?yàn)樗哪厅c(diǎn)是0℃。而酒精的凝固點(diǎn)是117℃，當(dāng)兩者混合時(shí)，其凝固點(diǎn)就會(huì)低于0℃而高于－117℃。

(4)由上而所說(shuō)的原因，應(yīng)該很容易想到：水和酒精混合的比例是影響水和酒精混合液凝固點(diǎn)的因素，酒精占的比例越大，混合液的凝同點(diǎn)越低。

例14閱讀短文?；卮饐?wèn)題，

汽車防凍液

汽車在行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度會(huì)升得很高，為了確保安全，可用水循環(huán)進(jìn)行冷卻實(shí)際上，水中往往還要加入不易揮發(fā)的防凍液(原液)，加入防凍液后的混合液冬天不容易凝固，長(zhǎng)時(shí)間開(kāi)車也不容易沸騰。

有關(guān)資料表明，防凍液與水按不同的比例混合，混合液的凝固點(diǎn)、沸點(diǎn)不同，具體數(shù)值參見(jiàn)下表(表中防凍液含量是指防凍液在混合液中所占體積的百分比)。

在給汽車水箱中加防凍液時(shí)，宜使混合液的凝固點(diǎn)比本地常年最低氣溫低10－15℃考慮到混合液比熱容的減小會(huì)影響散熱效果，因此，混合液中防凍液的含量不宜過(guò)高，

(1)在混合液中。如果防凍液含量由30％逐漸增大到90％，則混合液凝固點(diǎn)的變化情況是______

A，逐漸升高

B，逐漸降低

C，先升高后降低

D，先降低后升高

(2)若某地常年最低氣溫為-15℃，對(duì)該地區(qū)汽車來(lái)說(shuō)，在下列不同防凍液含量的混合液中，宜選

A，30％ B，40％

C，60％ D，90％

(3)請(qǐng)?jiān)趫D9中作出混合液沸點(diǎn)與防凍液含量的關(guān)系圖像；由圖像可以推知，防凍液的含量達(dá)到75％時(shí)，混合液的沸點(diǎn)大約是_____℃。

(4)長(zhǎng)時(shí)間使用后。汽車水箱中的混合液會(huì)減少，與原來(lái)相比，混合液的沸點(diǎn)________(選填“升高”、“降低”或“不變”)其原因是____。

講解(1)混合液凝固點(diǎn)的變化情況可以從表格提供的數(shù)據(jù)直接看出，即D選項(xiàng)所反映的特點(diǎn)。

(2)根據(jù)題中“宜使混合液的凝固點(diǎn)比本地常年最低氣溫低10-15℃”的說(shuō)明，當(dāng)常年最低氣溫為-15℃時(shí)，其混合液的凝固點(diǎn)應(yīng)取-25--30℃，但從表中數(shù)據(jù)看，-28℃的凝固點(diǎn)對(duì)應(yīng)40％和90％兩個(gè)防凍液含量值，這時(shí)應(yīng)注意到題中“混合液中防凍液的含量不宜過(guò)高”這一說(shuō)明，因此。答案應(yīng)該是B，即防凍液含量應(yīng)為40％。

(3)所作圖線如圖10由圖線看出，這時(shí)混合液的沸點(diǎn)大約是在119—121℃之間，

(4)回答本問(wèn)題應(yīng)意識(shí)到：水箱中的混合液減少，主要是其中的水減少，因?yàn)?，題中有“防凍液不易揮發(fā)”的說(shuō)明，所以答案應(yīng)是：混合液的沸點(diǎn)(升高)；其原因是(水由于汽化而減少，防凍液的含量增大)。