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EXP_02

🔊 聲音的產生與傳播

實驗介紹

畫面上是一根 8 公尺長的管子，左端一顆喇叭。喇叭前後振動，把管子裡的空氣擠成 一密一疏的條紋往前推——那些條紋就是聲音。管子裡那一排珠點是空氣分子， 盯住其中一顆看：它只在自己的位置附近來回，從頭到尾沒有被帶到管子另一端。

按「開始」之後條紋往右跑，右邊「波前已經跑了」那張卡片告訴你聲音走了多遠。 上面的「介質」下拉換一個，條紋的疏密當場不一樣；換成「真空」，喇叭還是在動， 條紋卻一條都送不出去。

這一頁是慢動作。 真實的聲音 23 毫秒就跑完這根管子，畫面上的時間慢了 170 倍； 頻率、波長、聲速、週期都是真值，只有「時間走得多快」不是。

物理知識

核心概念

聲音是介質的疏密在傳播，不是介質本身在跑。

喇叭往前推，它右邊的空氣被壓縮，形成一個密部；喇叭往後退，右邊讓出空間， 形成一個疏部。密部、疏部一個接一個往前傳，就是聲波。

聲波是縱波——空氣分子來回振動的方向，和波前進的方向在同一條線上。 （把彈簧水平拉開再放手，彈簧一圈一圈的疏密往前跑，是完全一樣的東西。）

\[v = f\lambda\]
  • v（聲速）：由介質決定。空氣 340 m/s、水 1500 m/s、鋼 5000 m/s。
  • f（頻率）：由波源決定。喇叭一秒振動 120 次，就是一秒送出 120 個密部。
  • λ（波長）：相鄰兩個密部之間的距離。它是 $v \div f$ 的結果，不是誰規定的。
介質 聲速 v 120 Hz 的波長 λ
空氣（20 °C） 340 m/s 2.83 m
水 1500 m/s 12.5 m
鋼 5000 m/s 41.7 m
真空 沒有介質 傳不出去

怎麼從畫面讀出來

畫面上的東西 代表什麼
深色的藍／橘條帶 密部，空氣被擠在一起
條帶之間的淺色空隙 疏部，空氣被讓開
一整排珠點 空氣分子
珠點左右來回的距離 振幅 A，決定聲音的響度
相鄰兩個密部的距離 波長 λ
條紋往前跑的速度 聲速 v

兩個容易搞錯的地方

一、空氣沒有跟著聲音跑。 珠點只在原位附近來回，一波過去之後它又回到原來的位置。 傳出去的是「擠」這個狀態，不是空氣本身。所以遠處的人聽得到你說話， 但你的空氣不會被吹到他臉上。

二、頻率不隨介質改變。 換介質之後波速變了，波長也跟著變，但頻率是波源決定的 ——喇叭一秒振動幾次，就是一秒送出幾個密部，這件事和水或鋼無關。 所以同一顆喇叭在水裡和在空氣裡，聲音的高低一樣，只是波長差了四倍多。

生活中的聲音

  • 🔔 門鈴：小槌敲下去，金屬片來回振動，把空氣推成一密一疏傳進你耳朵
  • 🎸 吉他：弦振動，透過琴橋傳給琴身。琴身面積大、推動的空氣多，聲音才傳得遠
  • 🐳 鯨魚：水裡的聲速是空氣的四倍多，同一聲可以傳上好幾百公里
  • ⚡ 打雷：閃電把空氣瞬間加熱撐開，那一下的擠壓傳出來就是雷聲。光跑得比聲音快得多，所以先看到閃電再聽到雷
  • 🚀 太空：真空裡沒有介質，太空人只能靠無線電——無線電是電磁波，不是聲波
// REAL-TIME DASHBOARD
// HEIGHT GRAPH

📊 實驗探究思考

  1. 盯住管子裡某一顆珠點看完整段動畫。它有沒有從喇叭那一端被帶到另一端？如果沒有，那往前跑的到底是什麼？
  2. 把頻率從 100 Hz 拉到 180 Hz。聲速那張卡片有沒有變？如果沒變，多出來的振動次數表現在哪一個數字上？
  3. 介質從空氣換成水，波長變成原來的幾倍？和聲速變成幾倍比一比，你發現什麼關係？
  4. 切成「真空」。喇叭的振幅卡片還是 2.0 cm，但「波前已經跑了」一直停在 0.00 m。喇叭有沒有在振動？沒有介質的話，振動傳得出去嗎？
  5. 同一根管子、同一個頻率，換介質之後週期那張卡片有沒有變？為什麼？（提示：週期是誰決定的？）
  6. 打雷的時候先看到閃電才聽到聲音。如果當時的空氣換成水，這個時間差會變大還是變小？