物理学家托里拆利.docx

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物理学家托里拆利

　生平简介科学成就趣闻轶事

 一、生平简介

　　托里拆利（1608～1642）是意大利物理学家。

1608年10月15日诞生于意大利的法恩扎。

托里拆利的父亲是一位纺织业主，由于经营情况不佳，日益衰落。

父亲为了摆脱窘境，被迫把托里拆利送给伯父雅可布抚养。

1627年，伯父在朋友们的劝说下，把托里拆利送到罗马，拜伽利略的得意门生、数学家和水力学工程师卡斯特里为师，继续深造。

从1630年到1641年，托里拆利在伽利略的朋友夏波利手下工作，主要从事力学研究，写了一批论文。

为了向卡斯特里等有名

第一章声学部分

一、自制声学小实验辅助物理课教学

物理学是一门以实验为基础的科学，在目前新教材使用的初期阶段里，却出现了同步的实验器材还比较匮乏的现象。

笔者在教学过程中，利用饮料瓶设计自制了百余种小实验，以弥补教学之不足。

有些小实验可以用于课堂演示，有些还可以当成家庭作业布置给学生。

现在将利用饮料瓶制作的部分声学小实验介绍给大家，以利于在今后的教学过程中选用。

1钟声响起

将两个饮料瓶都剪去底部并做成喇叭状，用细线系在瓶口的瓶盖上，再用细绳的中间部分系住一把钢勺（图1）。

将两个喇叭口罩住两只耳朵并贴紧耳根，并用钢勺去撞击桌子等物品时，你能听到什么?

可以请几位学生上台试试，并谈谈自己的感受。

通过课堂参与的小活动，可以激发学生的兴趣，调动其求知的积极性。

继续让一个学生手提着细线并用钢勺碰撞课桌，再谈谈手上的感受。

通过刚才的小实验可以让学生了解到，振动能够发出声音来，并且可以通过细绳等物体向外传播；同一个声音从空气传到耳朵和从细线等传入耳朵，其感受却是不同的。

2水中的振动

由于振动而发出的声音，可以在固体和气体中传播，声音能在液体中传播吗?

用细线系好三把旧钥匙，放入盛水的大饮料瓶内并上下抖动细绳（图2），你听到了什么?

可以听到碰撞声从水中传出来。

仔细听又会发现，钥匙在空气中碰撞和在水中碰撞发声是不一样的。

学生经过亲手做、亲眼看的实验过程，将会对声音的传播有了比较深刻的认识，并可以激发学生继续去探究新的知识。

3听到自己的心跳

自己的心跳可以摸到，但不常被听到。

如果剪下饮料瓶上半部并在瓶盖上打孔后插入一段塑料软管后（图3），就很容易听到了。

将做好的漏斗部分靠近胸部，软管另一端靠近右耳。

移动漏斗的位置，一定要仔细听听，可以找到心跳最强的位置处于胸部左侧。

从刚才几个简单的实验制作中，可以引导学生去主动观察、思考和分析。

同时，可以帮助学生更好地理解声音产生和传播的有关概念。

4频率计

声音的产生，其音调有高有低。

我们可以将饮料瓶剪去底部，瓶壁剪成齿状，瓶盖钻孔后用筷子紧紧插入，做成频率计（图4）。

用右手捻转筷子，同时用齿去碰纸片，当快转或慢转时，你听到的声音有什么不同呢?

在实际操作中，可以培

养学生动手和动脑的能力，加深对频率概念的理解。

5独弦琴

利用细线和饮料瓶就可以把声音的特征演示出来。

将一个饮料瓶剪去底，瓶盖钻孔后用牙签和一段细线系住作为音箱，另一端系在一个装满水的瓶子上。

左手拿着音箱并控制弦的张紧程度（瓶子不要离开地面），同时右手拨动琴弦（图5）。

这样就可以听到不同的音调和演奏效果，颇有古色古香的韵味。

如果拨弦力量大时，发声就响。

如果细绳被拉得越紧，发声音调就会越高。

如果将绳子变短，音调将会发生变化。

如果改用粗绳子，音调也将会发生变化。

假如改用细铜丝后，会听到与刚才不同的音响效果，说明音色也发生了改变。

同一个实验，可以不断改变某一条件，引导学生进行发散思维，积极

探究，让学生在实际研究过程中，理解声音的特征。

6打击乐器

学到了理论知识，就可以用来指导新的实践活动。

收集几个相同的大饮料瓶，向瓶内倒入不同高度的水，用筷子敲击瓶子，瓶子会发出不同的声音（图6）。

仔细调节水量，可使各瓶发出不同的音调。

实践证明，瓶中水越少，发声音调也就越高。

这样，在理论联系实际的过程中，培养了学生们学以致用的好习惯。

7排箫

振动的瓶体和水能够发声，瓶内被吹动的空气也可以发声。

将饮料瓶从大到小排列，口部排齐后用胶带绕在瓶壁上，把3个瓶子固定在一起（图7）。

双手握住瓶壁，嘴唇分别靠近瓶口吹气，就可以听到不同的声音。

以图7此来引导学生在吹和听的过程中，学会分析和判断，并能得出瓶内空气越少，发出音调就会越高的结论。

在演示“物体振动产生声音”时，可以采用在扬声器（A）的纸盆上装一片平面镜（B），在扬声器的对面装一光源（C），与扬声器连接一声源（E）．当声源信号传输到扬声器时，扬声器产生振动发声，同时带动平面镜振动，光射人到振动的平面镜，平面镜随着声音的强弱、高低，把长短、频率快慢不同的振幅光斑反射到屏幕（D）上，如图，能让全班学生清楚地看到实验装置、组成结构、操作过程，以及实验中所发生的现象，并读出有关数据等．要做到这点，教师应把演示架或演示台加高，观察小物体时可以采用幻灯、光路、行程放大等方法．对一些难以观察的现象用较明显的实验加以说明，效果将会很好．

二、制作音调可变的哨子

在筷子上捆一些棉花（或碎布），做一个活塞。

用水蘸湿后插入两端开口的朔料管或竹管中。

用嘴吹管的上端，可以发出悦耳的哨音。

上下推拉“活塞”，音调就可以改变。

（图8）你能练着用它吹出一首歌吗？

思考与分析：

（1）、音调的高低是由什么决定的？

（2）、这个哨子是怎样来改变音调的？

（图8）

探究学习

某同学用5只粗细相同的而高矮不同的瓶子做如下试验：

如（图9）所示

你认为：

（1）嘴对5只瓶吹气，5只瓶均发出声音的原因是什么？

（2）5只瓶均发出不同的音调的原因是什么？

（3）应用上述试验结论，说明吹笛子时，用手指堵住笛孔的原因是什么？

三、研究土电话

你可能早就玩过“土电话”了：

用粗棉线（俗称“小线”）栓上两个纸盒，一人对着纸盒讲话，另一人把纸盒贴在耳朵上。

就听到了声音。

声波怎样在绷紧了的棉线里传播呢？

我们不妨改进一下“土电话”的实验，研究一下那根棉线上的声波。

找一段小线，在线中间拴上一面小镜子，线的一端拴在椅子背框上（或者由一位同学拉住），线的另一端穿在一个较大的纸盒子上。

拿住纸盒子，把线绷紧，让阳光照到镜子上，镜子的反射光线映到墙上。

线绷紧之后，镜子稳定下来了，它反射出来的光斑也就不再晃动了。

敲一下纸盒，纸盒发出了声响，与此同时你会看到，镜子反射出的光斑晃动了，它上下左右地摇晃着。

这个实验说明，声波在小线里传播时，出现了比较复杂的情况：

拴着镜子的那一点既有上下振动（与声的传播方向垂直），又有前后振动（与声波的传播方向一致）我们再看一看长纸板传声的情况。

找一块长纸板（或长些的木板），在纸板上放几小块纸屑或瓜子皮。

敲纸板的一端，另一端听到了声音。

同时观察小纸屑或瓜子皮，它们上下前后胡乱地移动着位量。

这个实验说明，固体表面传播声波时，也出现了复杂的情况。

1885年著名的英国物理学家瑞利在理论上指出，声波在固体表面传播时，会出现一种奇妙的表面声波。

表面声波是在固体表面（即两种介质的交界面）上传播的声波，它既不同于横波也不同于纵波，而是两者的合成。

1900年英国地震学家根据地震仪获得的记录，证实地震时地表面确实存在这种奇异的波，并且把它命名为瑞利波。

表面声波有许多种，瑞利波只是表面声波的一种模式。

表面声波并不神秘，你把石头扔到水里，在听到声响的同时会看到水面上荡漾起一个接一个的波纹，那就是在水面上传播的一种表面声波。

那水面就是两种介质（水和空气）的交界面。

尽管人类对声波的研究已经有几百年的历史，表面声波技术却是最近二十几年才兴起的。

1965年美国科学家怀特发明了一种仪器叫“叉指换能器”，这种仪器可以使电信号产生表面声波，也能使表面声波产生电信号。

从此，表面声波技术就在电视广播、通讯、雷达、电子计算机等各项技术中大显身手了。

四、我们可以看到声波的振动

声波是列纵波，其质点振动方向与波传播方向在同一直线上；声波由振动引起，而它传播时又能使它所遇到的物体作受迫振动，人耳就是因此而感受声音。

但声波的上述特点似乎难以被“看见”，学生们对此心存疑虑。

为此，我们可进行下列实验演示：

如图3，将一扬声器与学生电源的交流电（频率50Hz）相连，喇叭口正对一烛焰，当喇叭通电发声时，可看到烛焰左右振动，原不可见的空气质点振动通过烛焰得以显现。

也可将蜡烛置于录音机喇叭前，再播放有节奏的鼓击音乐，能看到烛

焰随着节拍声前后振动（振动方向与声波传播方向在同一直线）。

如图4，将喇叭与频率可调的音频发生器相连。

取一平底的透明植物油空桶，截去上半部后擦干，里面辅一层塑料小颗粒，将塑料桶渐渐靠近发声着的喇叭，可看到桶底塑料小颗粒上下跳动且幅度越来越大。

保持桶底与喇叭间距一定，调节声源频率，可看到小颗粒跳动的幅度随之改变，在某一音频时，振动最强烈，此为声波激起的共振现象。

五、声音“吹灭”蜡烛

声音具有能量，它表达了物体的振动，当声音传递到人耳引起耳鼓膜振动时，我们可以感觉到声音。

它是一种看不到、摸不着的声波。

下面介绍用声音“吹灭”蜡烛实验。

实验器材：

田径比赛时用的发令枪，蜡烛，大一些的抛物面反射镜一对（或小铁锅一对），直径30cm、焦距8cm的抛物面反射镜，光具座，烛台，十字夹，试管夹，铁架台等。

实验方法：

实验装置如图1所示。

（1）将直径及焦距相同的两个抛物面反射镜分别固定在铁架台上相向放置，间距约60～70cm，间距的大小是依照抛物面反射镜或锅的大小灵活而定。

（2）在两个抛物面反射镜下方放置一个光具座。

（3）测定抛物面反射镜的焦距。

方法一：

应用公式

求之；方法二：

在阳光下借用一把直尺测量。

（4）在两个抛物面反射镜的中间放一支或几只点着的蜡烛，在左边反射镜的焦点处也放一只点着的蜡烛。

（5）在右边的抛物面反射镜的焦点处打响发令枪，就可以发现左边反射镜焦点处的蜡烛熄灭了，而两抛物面反射镜中间其他蜡烛未被“吹灭”。

实验原理：

抛物面反射镜起着把声音集中到一点（焦点）的作用，在声音集中的地方点着一支蜡烛，“啪”的一声枪响，声音在两个抛物面反射镜之间传播—反射—传播—反射—会聚，通过左边抛物面反射镜焦点处声波最强，能量最大，空气的振动就集中于那一点，蜡烛就被“吹灭”了。

而中间其他蜡烛未被“吹灭”的原因是它们所处位置的声波强度不如焦点处。

本实验包含声波的传播方式、强度、反射等多个知识点，趣味诱人，很受学生青睐。

科学史料

一、听诊器的发明

有一天，一位聪明的年轻大夫观看几个小孩做游戏，这一游戏导致了一种最重要的医学仪器——听诊器的发明。

孩子们在玩跷跷板，不过他们不是骑在木板上，一上一下地玩耍。

有一个孩子把耳朵贴近木板的一端，另一个孩子就用钉子刮擦木板另一端，他们对声音穿过木板传播的情形感到十分惊奇。

这位法国年轻大夫勒内·雷奈克看到了而且记住了这一情景。

几年以后，他在一次感到羞怯的场合下，又回忆起了这件事情。

在1816年，有一次他出诊去给一位年轻的姑娘看病，这位姑娘异常肥胖，他知道，如果按当时医生们的惯例，除非把耳朵贴近她的胸部，是不会听得很清楚的。

但是，他非常羞怯，不好意思用这种方法听她的心脏和肺部。

他回忆起了自己看到过的孩子们的游戏，于是，他拿了一叠纸，把纸卷得紧紧的，把纸卷的一端放在姑娘的胸部，另一端靠在自己的耳朵上，他所听到的声音比他过去把耳朵直接贴在病人的胸部时要清晰得多，这时他真是又惊又喜。

后来，他做了一根木管，改进了这个仪器，把这根管子从头到尾穿一个小孔，并将一端挖空。

把挖空的一端放在病人的胸部，另一端的小孔接在他的耳朵上，这时心脏的跳动就听得格外清楚了。

后来人们把这种仪器叫做听诊器。

的学者请教，托里拆利于1641年再去罗马。

在卡斯特里的推荐下，托里拆利于1641年10月10日来到伽利略身边工作，并和伽利略的学生维维安尼结成了很好的朋友。

伽利略去世后，他