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奇,声波也能在真空里传播
添加时间:2019-07-11 18:15

  “差之毫厘,缪以千里”,科学上尤为如此。人们常看到这种现象:电磁波能在真空任意传播,但声波却不能。科学家也一直认为声波几乎不可能穿越真空。事实上这是个极大的误会,我们深入研究后发现,声波同样能穿越真空传播,这一发现极具研究价值。

 

  声波 (Sound wave),是声源振动在媒介中的传播,是媒介粒子偏离平衡态的小扰动的传播。以往,物理学家对声波特征:周期、频率、干涉、衍射等研究已很深刻,但对声波传播过程,特别是声波在媒介中传播的精细过程研究太少。因此,没有认识到声波穿越真空的事实。
 

 

声波如何穿越真空?我们不妨从声波穿越空气开始。

 

  空气是很好的声波媒介,但稀薄空气就不一样了。来做一个小实验:让空气逐渐变稀薄,空气稀薄达到一定限度后,声波便无法传播了。稀薄空气为何无法传播声波呢?我们主要来探索这个问题。

 

  原来,空气分子有两个重要特性:分子力、分子间隙。

 

  • 分子力:压缩空气会遇到强阻力,阻力来自空气分子间天然斥力,即分子力。它是空气分子间传递声波振动的纽带。

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  • 分子间隙:气态空气体积是超低温下固体空气体积的一千多倍,显然,空气分子距离很大,这就是分子间隙。或者说,空气分子之间有很大“真空间隙”存在。

 

   分子力、分子间隙的存在,使空气分子间无法直接碰撞来传递声波,而要靠分子力帮助,把振动从一个分子上传递到另一个分子上。于是,声波传播分为两步:

 

  • 一是,依靠分子力,声波振动穿越“真空间隙”;

     

  • 二是,声波振动在分子上停留并传递,声波在每个分子上会短暂滞留,滞留时间决定了声波速度。

 

  我们发现,声波穿过了空气分子之间微小“真空”。同时,声波的音速也由两部分组成:

 

  • 其一,分子力“背着”声波穿过真空间隙的速度,此速度应为光速,因为分子力本质上是电荷力,而电荷力的传递速度为光速;

     

  • 其二,声波在每个分子上停滞、传递的速度,与分子弹性有关。

 

  从这两点来看,音速的关键是分子弹性能力,弹性大,音速就大。所以,固体、液体中音速要比气体中音速大。

 

  声波为何不能穿越更大的真空呢?关键是分子力太小的原因,当空气稀薄、分子间隙很大时,分子力几乎消失,已无法把声波振动传到下一个分子上了。假如距离10米的两个分子间,仍能相互传递声波振动,那么声波将穿越更大真空,能在近似真空里传播。因此,分子力限制了声波穿越更大的真空。


摘自声学楼电声技术网络交流平台


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