科学：小学教师指南/波、光和声
机械波和电磁波是能量在我们周围世界中传播的两种重要方式。水波和空气中的声波是机械波的两个例子。机械波是由物质中的扰动或振动引起的，无论物质是固体、气体、液体还是等离子体。波传播的物质被称为介质。水波是由液体中的振动形成的，声波是由气体（空气）中的振动形成的。这些机械波通过使分子相互碰撞而穿过介质传播。声波不能在太空真空传播，因为没有介质来传播这些机械波。
什么是光？ - 它是一种波。它最基本的形式是能量。波长可能是光最单一和最重要的特征，因为光的能量与其波长相关联。波长较短的光能量更大，波长较长的光能量更小。
什么是光谱？ - 它是一种颜色的分布：橙色、黄色、绿色和蓝色中间波长。
- 电磁波 - 其他
- 伽马射线
- X射线
- 红外线
- 无线电波
- 电磁波的速度
- 300,000 公里/秒 = 186,000 英里/秒。
- 每种类型的电磁波都有其自身的
- 波长
- 波从波峰到波峰或从波谷到波谷的距离。
- 频率
- 每秒通过某一点的波数，或每秒的振动次数
- 短波长
- 长波长
- 波长和频率之间的反比关系
- 速度 = 波长 * 频率
>波长增加 --> 频率降低
>波长减少 --> 频率增加
要看到任何不发出自身光的物体，必须满足三个条件:
- 必须有光源
- 光必须照射到物体上
- 光必须反射到你的眼睛
反射光总是以与它撞击表面的相同角度离开反射表面。入射角 = 反射角。例如，你可以想象一个弹跳的球。如果一个人把球直直地扔下去，它就会直直地弹回来。如果你以一个角度把它弹起来，它会以一个角度弹起来。在小学，你可能会看到这种现象在孩子们玩耍时出现，因为孩子们会弹球。
入射角 - 你扔球的角度 反射角 - 球弹起的角度
这两个角度永远相等。
当光波或声波等任何波从一种介质进入另一种密度不同的介质时，它会发生弯曲。
- 当光线穿过密度更大的物质时，它们会向内弯曲
- 当光线穿过密度更小的物质时，它们会向外弯曲
两种类型的透镜
- 凸透镜：图像通常更大
- 凹透镜：图像总是更小
当光线穿过透镜时，它们总是弯向透镜最厚的部分。
当光线照射到任何物体上时，光线可以
- 穿过
- 被反射
- 被吸收并转化为热量
透明材料
- 透明且允许所有或大部分光线通过，很少被吸收或反射
例如：空气、透明玻璃、清水
半透明材料
- 反射和吸收一些光，但允许大部分光线通过
例如：浴室使用的磨砂玻璃或塑料
不透明材料
- 不允许任何光线通过，所有能量都被吸收或反射并转化为热量。
例如：书、木头、车门
影子是光源的光线被不透明物体挡住的黑暗区域。它占据了物体前面有光的情况下物体后面所有三维空间。影子的横截面是一个二维轮廓或一个遮挡光的物体的反向投影。
点光源和非点光源
点光源只投射简单的影子，称为“本影”。对于非点光源或“扩展光源”，影子分为本影、半影和伪本影。光源越宽，影子就越扭曲。如果两个半影重叠，影子似乎会吸引并连接起来。这被称为影子水泡效应。
可以通过追踪扩展光源最外端区域释放的光线来找到影子区域的轮廓。本影区域接收不到来自光源任何部分的直接光线，是最黑暗的区域。位于本影区域的观察者无法直接看到光源的任何部分。
相反，半影被光源的某些部分照亮，使其具有半亮度。位于半影区域的观察者会看到光源，但它被投射影子的物体部分遮挡。
如果有多个光源，就会有多个影子，重叠的部分更暗，亮度或颜色也有各种组合。照明越漫射，影子轮廓就越柔和，越模糊，直到消失。阴天产生的照明几乎没有可见的影子。
太空真空中缺乏漫射的大气效应会产生平淡且由高对比度边界（高亮度和黑暗之间）定义的影子。
对于接触影子投射表面的物体或人（例如站在地面上的人或地上的杆子），影子会在接触点汇聚。
影子除了扭曲之外，还显示与从太阳一侧观察物体时的轮廓相同的图像，因此从另一侧看到的轮廓的镜像。
本影（拉丁语为“影子”）是影子的最内层和最黑暗的部分，光源完全被遮挡物体遮挡。例如，不透明物体不透光。位于本影中的观察者会经历日全食。圆形物体遮挡圆形光源的本影会形成一个直角圆锥；对于位于锥体顶点的观察者来说，两个物体的视大小相等。月球到其本影顶点的距离大致等于月球到地球的距离。由于地球比月球宽 3.7 倍，因此它的本影延伸得更远，大约 140 万公里。
半影（源于拉丁语paene，“几乎，差不多”）是指只有部分光源被遮挡物遮挡的区域。处于半影中的观察者会经历部分日食。另一种定义是，半影是指部分或全部光源被遮挡的区域（即本影是半影的子集）。例如，美国宇航局的导航和辅助信息设施定义了处于本影中的物体也位于半影内。
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伪本影（源于拉丁语ante，“之前”）是指遮挡物完全包含在光源圆盘内的区域。处于该区域的观察者会经历环形日食，在这种日食中，在遮挡物周围可以看到一个明亮的光环。如果观察者更靠近光源，遮挡物的表观尺寸会增加，直到它导致一个完整的本影。
当材料振动时会产生声音。声波中的能量可以从一种物质传递到另一种物质。当振动物体向前移动并推动空气分子时，空气分子会相互挤压。压缩是指分子相互挤压。稀疏是指分子扩散。一个压缩和一个稀疏一起构成了波长。
- 声音的特征
声音在液体中的传播速度比在气体中快，在固体中的传播速度更快。物质中的分子越紧密，声音在该物质中的传播速度越快。声速与它的频率无关。
声音以振动的形式通过空气传播。这些振动导致空气颗粒相互压缩，这会导致它们周围的空气以波浪的形式从声源处移动。
声音传播的方式是儿童基础科学中经常讨论的话题。许多孩子可以很容易地识别出声音的来源并理解耳朵是如何检测到声音的，但他们难以理解两者之间的过程。就像光一样，声音以由振动的空气分子引起的波的形式传播。如果敲击鼓，鼓周围的空气分子会振动，这些振动会导致更远一点的空气分子依次振动。这个过程会重复，直到振动减弱，声音开始消散。一个简单的弹簧玩具非常适合向正在学习的科学家演示声波是如何工作的。将一个弹簧玩具拉伸到桌子上并快速推动一端，就能说明压缩是如何导致空气颗粒聚集在一起，从而形成沿着弹簧传播的波浪的。代表空气分子的弹簧部分不会移动，只是振动，而波浪明显地弹回到被推动的末端，代表了回声。
多普勒效应是指声波、光波或其他波的频率随着声源和观察者相互靠近（或远离）而增加（或减少）。这种效应会导致经过的警报器发出明显的音调突然变化，以及天文学家观察到的红移。天文学家利用多普勒位移来精确计算恒星和其他天体相对于地球的移动速度。例如，在遥远星系中，氢气发出的光谱线通常被观察到有相当大的红移。
一个动画演示了多普勒效应是如何导致汽车引擎或警笛在靠近时发出更高的音调，而在远离时发出更低的音调的。粉红色的圆圈代表声波。
多普勒效应可以描述为由移动波源产生的效应，其中对于朝着声源移动的观察者，声源的频率有明显的向上偏移，而对于远离声源移动的观察者，声源的频率有明显的向下偏移。重要的是要注意，这种效应并非由于声源频率的实际变化而产生的。多普勒效应可以观察到任何类型的波 - 水波、声波、光波等。我们对多普勒效应最熟悉是因为我们对声波的体验。你可能还记得有一次警车或紧急车辆在你行驶的公路上朝你驶来。当汽车鸣着警笛靠近你时，警笛声的音调（音调是警笛频率的量度）很高；然后汽车突然经过之后，警笛声的音调就低了。这就是多普勒效应 - 移动声源产生的声波频率的明显变化。
假设在一个圆形水坑的中心有一只快乐的虫子。这只虫子周期性地抖动着它的腿，产生通过水传播的扰动。如果这些扰动起源于一个点，那么它们将从该点向所有方向传播。由于每个扰动都在同一介质中传播，因此它们将以相同的速度向所有方向传播。这些圆圈将以相同的频率到达水坑的边缘。在 A 点（水坑的左边缘）的观察者会观察到扰动以与在 B 点（水坑的右边缘）的观察者观察到的相同频率撞击水坑的边缘。事实上，扰动到达水坑边缘的频率与虫子产生扰动的频率相同。如果虫子以每秒 2 次的频率产生扰动，那么每个观察者都会观察到它们以每秒 2 次的频率接近。
音爆
音爆是一种与物体以超过声速的速度穿过空气时产生的冲击波相关的声响。音爆会产生大量的声能，听起来非常像爆炸。超音速子弹在头顶飞过时的爆裂声就是一个微型音爆的例子。
如果船舶以超过波浪在水中传播的速度行驶，那么波浪就无法及时“避开”船舶，从而形成尾迹。尾迹是一个更大的单个波浪。它是由所有本应在船舶前方扩散但无法扩散的小波形成的。
当飞机穿过空气时，会产生声波。如果飞机的飞行速度低于声速（声速会发生变化，但在空气中通常为 700 英里/小时），那么声波就可以在飞机前方广播。如果飞机突破音障，以超过声速的速度飞行，那么它在飞过时就会产生音爆。音爆是飞机声波的“尾迹”。所有本应在飞机前方广播的声波都被组合在一起，所以一开始你什么也听不到，然后你就会听到它们产生的音爆。
这就像你在一个平静的湖边，当一艘快艇驶过时。快艇经过时，水面上没有波纹，但最终，尾迹的巨浪滚上了岸。当飞机以超音速飞行时，也会发生完全相同的事情，但不是巨浪，而是音爆。
共振和受迫振动
- 共振：所有物体都具有固有的振动频率。因此，一个物体以另一个物体的固有频率振动而形成的声波可以导致另一个物体振动，而无需物理接触。
- 受迫振动：一个振动物体使另一个物体振动，因为它们之间有物理接触。
声速
声速取决于波浪传播的介质，是材料的基本性质。牛顿首次对声速的测量进行了重大努力。他认为，物质中的声速等于作用在它上面的压力（STP）与其密度之比的平方根。
声音的感知
“声音”一词在物理学中的使用方式与在生理学和心理学中的使用方式截然不同。在生理学和心理学中，“声音”指的是大脑对声音的感知。心理声学领域专门研究这类现象。从历史上看，“声音”这个词仅指一种心理上的影响。这意味着（至少在 1947 年），对“如果一棵树在森林里倒下，但没有人听到，它会发出声音吗？”这个问题的正确回答是“不”。然而，由于当代的用法，大多数词典都将“声音”定义为一种物理现象。因此，现在对同一个问题的答案（见上文）是“是的，一棵树在森林里倒下，即使没有人听到，它也会发出声音”。任何听觉生物对声音的物理接收范围都局限于一定频率范围内。人类通常可以听到大约 20 赫兹到 20,000 赫兹（20 千赫兹）之间的声频。上限会随着年龄的增长而下降。有时“声音”只指那些在人类听觉范围内的频率振动，有时它也与特定动物有关。不同的物种有不同的听觉范围。例如，狗可以感知高于 20 千赫兹的振动，但对低于 40 赫兹的振动是聋的。
声音的特性
声音之间在音高、强度和音色上有所不同。音高指的是声音的高低，正如我们所听到的那样。频率是指每秒钟的振动次数，音高随频率而变化。
- 任何物体振动都会产生声音。
- 音高指的是声音听起来是低还是高。
- 频率高于人类听觉范围的声音被称为超声波。
- 强度指的是声音的响度或轻度。
- 振幅可以通过移动更多空气来使声音更响亮。
- 多普勒效应是指波在运动方向上被压缩，而在运动方向上被拉长。
- 超声波是指超出人类听觉范围的声音波，只能用机器才能听到。
- 稀疏是指分子散开的地方。
- 压缩是指分子聚集在一起的地方。
- 声音测量以分贝为单位。
- 关于音调，基音是最低的频率，泛音是其他高频音调。
- 声呐：声波导航和测距
发出声波，然后分析反射波。
- 超声波：与声呐类似，但声波超出了人类听觉范围。
NIHL 也可能由极响的声波爆发引起，例如枪声或爆炸声，这些声波会使耳膜破裂或损害中耳的骨骼。这种 NIHL 可能是立即发生的，也是永久性的。响亮的声音暴露也会导致耳鸣——耳朵或头部出现嗡嗡声、嘶嘶声或轰鸣声。
- 损害用来检测声音的器官。
- 听觉会因暴露在非常响亮的声音中而受损。
- 取决于耳朵距离声音的远近、声音的响度、耳朵暴露在声音中的时间长度以及暴露的频率。
什么是音乐？它仅仅是噪音，还是艺术？不是每个人都喜欢相同的音乐或相同的噪音，但这两种东西的共同点是它们都是声音。有些人认为噪音只是一种令人不愉快的声音，而另一些人可能会说，对他们来说，噪音是“悦耳的音乐”。由于今天我们拥有电子设备，我们几乎可以在任何东西中加入声音。令人惊奇的是，音乐的基础通常分为三类，即弦乐、管乐和打击乐器。这三类是音乐的传统工具，还没有任何新技术能取代它们。
弦乐器：基本上是指弦的振动传递到共鸣板，然后传递到空气中。弦乐器的一些例子包括小提琴、大提琴、吉他、竖琴，甚至钢琴，还有很多其他的弦乐器，但这些是最常见的。
管乐器：更像是一种吹奏乐器，是指将一股气流吹向乐器一端附近的孔，乐器内部的气柱就会振动。管乐器的一些例子包括短笛和长笛。空气吹入一个叫做簧片的吹嘴，然后簧片振动，使气柱振动，从而发出声音。
打击乐器：响板、木槌、铃铛和编钟都属于打击乐器。原因是在打击乐器表面上施加力，以产生声音。这些乐器通常由实心材料制成，例如木材和金属。这些乐器在被手、槌或其他物体敲击时会振动。
铜管乐器
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世界上许多最重要的音乐类型，包括爵士乐和管弦乐，都离不开铜管乐器。无论您是刚接触铜管乐器，还是对铜管乐器有所了解，这份有用的指南都会解释各种不同类型的铜管乐器的区别。
这些铜管乐器包括小号、短号、军号、法国号、大号和长号。所有这些乐器都以铜管乐器命名，因为它们都是用黄铜制成的。乐器内部的气柱通过将嘴唇抵在金属吹嘴上，并在吹入吹嘴的同时使嘴唇振动而使其振动。对于大多数铜管乐器来说，气柱的长度可以通过按压和释放阀门来改变，从而添加或删除空气流过的管子的部分。一些铜管乐器没有阀门来改变振动气柱的长度。
电子乐器
电子乐器与传统乐器有很大区别。它们使用电子设备在扬声器中产生振动。电子乐器，任何通过电子手段，通常是电子手段，产生或修改声音的乐器。音乐中的电子元素由作曲家决定，声音本身是由电子设备制造或改变的。诸如电吉他之类的乐器，通过声学或机械手段产生声音，但通过电或电子手段放大声音，也被认为是电子乐器。然而，它们的结构和产生的声音通常与它们的非电子对应物非常相似。
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所有人类都有一个被称为喉部的“声带盒”，喉部上覆盖着两条薄而有力的组织带。我们还有褶皱，或者像我们通常所说的声带。男性的声带往往比女性的声带更厚。在你呼吸时，空气会通过你的声带。此外，声带上有肌肉连接，使你可以收紧声带。当你这样做，并迫使空气穿过声带时，会导致声带振动，就像橡皮筋在气流中振动一样，从而产生声音。
一个完美的例子是，当一个人哼哼的时候，你把手指放在喉咙里，当你哼哼的时候，你可以感觉到振动。男性的声音通常比女性的低，而且声音的种类很多，有高有低。声音的音质受许多因素的影响，包括喉咙、嘴巴和鼻子的气道。嘴唇、舌头和牙齿的位置和形状，以及鼻窦的形状和状态，鼻窦充当共鸣腔。
检查你的理解