探究物理：解譯聲波密碼 by Chuliu 巨流圖書

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國家圖書館出版品預行編目（CIP）資料

探究物理：解譯聲波密碼 / 王子軍等編 ; 于今昌主編. -- 初版. -- 高雄市 : 麗文文化, 2017.02 面 ;

公分

ISBN 978-957-748-909-8（平裝）

1.聲學 2.通俗作品 330.8 105018429

探究物理：解譯聲波密碼初版一刷•2017年2月

主編編者責任編輯封面設計發行人總編輯出版者地址電話傳真網址電子信箱劃撥帳號購書專線臺北分公司電話傳真法律顧問電話

于今昌王子軍、宋小光、李玉芹、宋堯、尚滌非、崔志遠、張賀、馮鑫、楊寓涵、劉莉、韓淑英、蘭振生（依姓氏筆畫排列）林瑜璇、張如芷余旻禎楊曉祺蔡國彬麗文文化事業股份有限公司 80252高雄市苓雅區五福一路57號2樓之2 07-2265267 07-2233073 www.liwen.com.tw liwen@liwen.com.tw 41423894 07-2265267轉236 23445新北市永和區秀朗路一段41號 02-29229075 02-29220464 林廷隆律師 02-29658212

行政院新聞局出版事業登記證局版台業字第5692號 ISBN 978-957-748-909-8（平裝）本叢書經由長春出版社正式授權在台灣地區出版中文繁體字版本

定價：400元

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推薦序

生長在一個知識爆炸的時代，我們每天甚至每分每秒都被新的資訊衝擊著，有時根本還來不及接收，這些新訊在轉眼間已成為舊聞；隨著科技產業的日新月異，新穎的科技產品也是不斷地推陳出新。我們每天幾乎都是透過手上的 3C 產品，將所有的資訊及知識「滑」到眼前，但不論內容是什麼，我們總是用不超過五秒鐘的時間，伸出手指毫不留情地將它滑開，因為後頭還有數不盡的新訊等著我們去看，沒有時間─仔細閱覽，深怕一個不留神，就跟不上這個快速轉變的世界。在我們汲汲營營求新求快的同時，似乎忘了抬頭看看四周的世界、忘了與你身旁的人對話、更忘了伸出手去翻一本好書。放下手機，試著回想你有多久沒有好好閱讀一本書了呢？尤其是正處求學階段的青少年們，陪伴你們成長、讓你們獲得知識的絕對不僅僅是那台電腦或那支手機，更多的是一本本放在書架上等著你去挖掘、去探索的知識寶庫。身為教育者最擔憂的莫過於看見莘莘學子們在 3C 世界裡不斷向下沉淪，每天緊盯著手上的螢幕，茶不思、飯不想，達到另一種「廢寢忘食」的境界，而學業，早就被拋諸於腦後了。這難道能不令人憂心忡忡嗎？要改善這個在校園裡已逐漸蔓延擴散的現象，必須從根本的基礎做起。首要的關鍵就是讓青少年重拾對閱讀的興趣，進而將閱讀視為一種生活態度，自然而然地在生活中養成閱讀的好習慣。「閱讀」是須要培養的。能夠引起閱讀動機，讓青少年主動伸手翻書是極為重要的第一步，然而要讓莘莘學子跨出艱難的這一步，書籍內容是否具有吸引力是相當關鍵的。當 i

然，能從閱讀中汲取知識、增廣見聞、豐富人生色彩，才是閱讀最大的樂趣與助益。在此，要鄭重向各位學子們推薦「青少年科普叢書」系列書籍，是專為中小學生打造的優良讀物，目前的出版品有《科學揭祕動物世界》、《探究物理》等套書。《科學揭祕動物世界》分為無脊椎類、海洋類、魚類、兩棲爬行類、鳥類、哺乳類等六冊，每冊皆有數十個主題，每個主題的篇幅精煉，並針對主題附上優美的照片，深刻讀者們的印象，讓讀者不僅能從文字認識動物，還可由照片看見動物之美。書中除了介紹生活中常見的動物之外，還要帶領大家認識稀有罕見甚至瀕臨滅絕的動物，讓我們能夠更加珍惜與愛護這片土地，好讓這些動物能無憂無慮地生存下去。此書最特別之處在於描寫了若干動物的小故事，為平凡的文字增添了生動有趣的色彩，也提升了對讀者的吸引力。《探究物理》分為挑戰萬有引力、遨遊電子王國、解譯聲波密碼、駕馭原子世界、探索太空奧祕等五冊，匯集多元的物理現象，藉由一則則小故事，介紹力學、電學、聲學、原子學及天文學等等的學科知識，其中也包含在全球廣為討論並飽受爭議的「核能」應用，使讀者懂得學思並重，思考物理學發展帶給人類的利弊得失，進而探究其未來趨勢，讓物理學為人類生活帶來更多更廣的助益。來吧！讓我們一同閱讀「青少年科普叢書」，揭開科學的神祕面紗，探索其中的奧妙，一定能讓你感受閱讀的樂趣，並且獲益良多。

王惠亮

王惠亮現職：國立高雄師範大學生物科技系教授兼副校長經歷：國立高雄師範大學生物科技系系主任、總務長、教務長學歷：美國康乃爾大學博士專長：分子生物、遺傳工程、生物農藥

推薦序

近代以來，科學發展迅速，民眾的工作與生活都講求迅速和效率，智慧型手機和電子產品充斥於生活之中，學生的學習受到很大影響，較常閱讀短文或短句，結果只能從事短句的寫作，導致「閱讀」這件事已被邊緣化。先進國家組成的 OECD 組織，大力提倡閱讀，發展 PISA 的測驗，我國也看見這等危機，參加測驗，並在學校教學提倡閱讀的教學與評量。科學的學習需要講求方法，動手做的學習、POE 的教學等不勝枚舉，然而，很多人卻忘了「知識」才是提升素養與學習的根本。知識靠閱讀，《探究物理》期望對中學生的閱讀作出貢獻，在內容的編排上，講究幾項特色：（一）科學史的內容，對科學演化歷程的理解即是對科學素養的提升，本叢書以科學史的邏輯引導學生有效閱讀科學，內容則延伸到最尖端的知識，大到宇宙的深處，小到原子或電子的運動，深入淺出地以「專題」的型態呈現，充實學生與科學對話的根本。（二）故事解說，美國解說之父 Tilden 曾提出生態解說的六大原則，故事解說是重要的原則之一，本叢書以科學故事的編排作為主軸，呼應善用學生喜歡聽故事的特質，有效提升中學生的科學知識。（三）閱讀的興趣，不論是科學教育學家或生態解說員，都同意提升學生的學習興趣，是學習的重要工作，本叢書把內容和標題趣味化，例如尋找系外行星的標題是「尋找太陽的表兄弟」，不但有效解說科學內容，更能促進學 iii

習的興趣，讓專業的知識不再艱深，藉以面對中小學生的學習特質。本叢書運用專題形式、科學史的故事以及趣味化的寫作，能夠有效吸引中學生對閱讀的喜好，進而提升中學生的科學素養，是一套值得推薦給中學生閱讀的好書。

蘇明俊

蘇明俊現職：樹德科技大學休閒與觀光管理系助理教授高雄市天文學會理事長經歷：國立高雄師範大學物理系兼任助理教授高雄市立左營高中、三民國中物理教師兼主任學歷：國立高雄師範大學科學教育理學博士專長：物理學、地球科學、科學教育 iv

前言

現代物理學是現代科學革命和現代技術革命的先驅。它推動了現代化學、天文學、地學和生物學，及新能源、新材料、資訊、生物、空間、海洋等技術的進步，對社會經濟和資訊時代的到來、人們的生活方式和國家的綜合實力，乃至世界格局都產生了巨大影響，其思想和方法也大大改變了人們的思想觀念和思維方式。為了滿足青少年對學習科學知識、掌握最新技術的強烈願望，按照教育部提出的素質教育的基本要求，我們組織專家學者精心編撰了一套適合中小學生閱讀、適合物理教。叢書共五冊，分別師作為教學參考的叢書─《探究物理》是《挑戰萬有引力》、《遨遊電子王國》、《解譯聲波密碼》、《駕馭原子世界》和《探索天空奧祕》。其中《挑戰萬有引力》，講述經典力學、熱力學和流體力學中許多耐人尋味的有趣現象和奇聞軼事，詳解第一、第二、第三宇宙速度，以及太空人駕馭太空船克服地球引力飛出了地球；《遨遊電子王國》簡述電子學、電磁學和光學的基本知《解譯聲波密碼》不識，介紹了它們在各自領域的獨特作用；僅講述了鮮為人知又趣味橫生的聲波故事，而且詳解了人類聽不見、看不見的超聲波、次聲波，以及它們對生產生活所產生的巨大作用；《駕馭原子世界》客觀評價了桀驁不馴的原子輻射給人類帶來的危害以及成功地駕馭原子讓它造福於人類，重點介紹了核武器的相關知識；《探索太空奧祕》揭示了宇宙間星雲、恆星、行星、小行星、彗星和月球的神祕身世，介紹了太空船、太空梭、太空實驗室、軌道站和國際太空站，以及中國航太事業在國際上的顯要地位。 v

本叢書彙集了物理學最前沿的知識，透過五百多則妙趣橫生的小故事和四百多幅生動有趣的插圖，深入淺出點出了力學、電學、光學、聲學、原子物理學、天體物理學、環境物理學等學門的重點與精髓。既為青少年讀者細細梳理了現代物理學的發展脈絡，重點詮釋了從經典物理學到現代物理學的完美嬗變，同時也展現了物理學未來發展的光明前景，是青少年學習和瞭解最新科技知識的良師益友。書中提出的一些懸而未決的疑難問題，必將激發出青少年探索物理奧妙的熱情與濃厚興趣，從而樹立攀登科學高峰的雄心壯志。

目次 v

Contents

前言

無處不在的聲音 002 聲音的共鳴故事

049 雄象海豹鼻子發音的奧祕

005 寒山寺的鐘聲

052 海上神祕的歌聲

008 永樂大鐘

055 小蝦引爆水雷陣

011 回音壁．三音石．圜丘

058 有生命的聲納

014 來歷不明的聲音

061 蝙蝠的聲納

017 鶯鶯塔中傳出的神祕聲音

064 會唱歌的沙子

020 人體器官也能發出聲音

067 喊泉之謎

023 火車的汽笛聲遠近不一樣

069 從狼嚎到貝多芬聽琴聲

026 深海「聲道」和深海「浮雲」

072 中國最早的樂器

029 飛在聲音前面

074 世界上最早的古代銅鼓和編鐘

032 動物王國裡的音樂家

077 從「餘音繞樑」到「響徹天宇」

035 絕妙的蟋蟀聲通訊

080 最初的留聲機

037 蜘蛛的音響探測器

083 儲存聲音的工具─唱片

040 鳥兒唱歌的祕密

086 光學錄音機和磁性錄音機

043 從鸚鵡學舌說到動物語言

089 雷射播放器

046 會「唱歌」的害人蟲

092 數位唱片

095 神祕的「黑盒子」

145 能調節人情緒的唱片

098 無簧無絃生妙音

148 從嬰兒愛聽媽媽的心音說起

101 從雪崩說到愛紀畢特橋突然崩塌

151 聲音與發育

104 古老的聲學舊貌換新顏

157 猶如身歷其境的立體聲廣播

107 聲音的脾氣

160 耳塞機、耳機與聽力損傷

110 耳朵聽聲音

163 讓「啞巴」講話

113 鑑別聲紋

166 人工耳蝸

154 用牙齒收聽廣播

169 配戴助聽器

聲音的利用

172 預防「卡拉 OK」病

118 〈認奶歌〉與「鹿笛」

175 從「對牛彈琴」說起

121 彩色音樂與多彩的音樂建築

178 魚聲與漁業生產

124 音樂與體育運動

180 水下偵察兵

127 音樂能對人及其他生物產生奇妙的影響

183 敲擊探傷

130 最早的聽診器 133 音樂與健康

186 聲波喚雨 189 聲納技術的貢獻

136 音樂是啟迪創造性思維的鑰匙

192 嶄露頭角的「聲控」技術和聲發射技術

139 音樂治療與藝術醫學

195 音樂搭橋天外覓知音

142 催眠音樂枕

聽不見的聲音 200 長跑健將「次聲波」 203 水母的「順風耳」 206 多功能的次聲波 209 用超聲波誘捕老鼠 212 超聲驅蚊

215 神通廣大的超聲波

269 噪音與高血壓

218 超聲波與膽結石

272 呼嘯著的建築物

221 醫生的得力助手─超音波

275 地球的嗡鳴聲

224 超音波的負效應

278 振動、噪音與營養

227 超聲波促農作物生長

281 汽車噪音何時消

229 超聲波清洗

284 能夠吸噪音的路面 287 樹木能吸塵殺菌降噪音

戰勝噪音 234 不明真相的爆炸 237 海洋噪音 240 音樂也有污染 243 噪音與交通 246 駕駛員的聽覺 249 資訊科學的天敵─雜訊 252 從炸彈說起 255 從殺人說到 MP3 258 家電噪音的污染 261 慎防兒童電視噪音病 264 噪音對兒童發育和大腦的影響 266 噪音與睡眠

290 噪音的妙用

聲音的共鳴故事

唐朝開元年間，洛陽有一座寺院發生了一件怪事：寺裡有一個磬，在沒有人敲打的情況下，常常自己「嗡嗡嗡」地響起來，把寺院裡的和尚都嚇壞了。那個磬樣子像個瓦缽，放在老和尚的房間裡。老和尚每天早晚燒香念經，都要用椿錘敲磬，磬就發出「噹！噹……」的清脆響聲。可是不知怎麼回事，有時候，老和尚並沒有敲它，它卻無緣無故自己響了起來。寺裡的和尚以為出了什麼妖魔，請了許多會法術的人來降妖伏魔，都沒有結果，老和尚疑神疑鬼，嚇得生病。老和尚有個朋友叫曹紹夔，聽說老和尚病得很厲害，就到寺院裡來探望他。老和尚把磬自己發出響聲的怪事一五一十地告訴他。曹紹夔很懂音樂，會修理各種樂器。他一面聽，一面在心裡猜測。他想：這個磬自己發出響聲，絕不是什麼妖魔作怪，總會有什麼原因。正巧吃飯的時候到了，小和尚到鐘樓裡解譯聲波密碼

撞起大鐘，老和尚房裡的磬又響起來了。曹紹夔心裡完全明白了，他笑著對老和尚說：「你明天好好請我吃一頓飯，我來給你除怪。」老和尚不相信曹紹夔真能除怪，但是看他說得那麼肯定，覺得也許有一線希望，就真的張羅了一桌豐盛的飯菜，把曹紹夔請來。曹紹夔吃過飯，從懷裡取出一把銼，在磬上這兒銼幾下，那兒銼幾下，銼了幾處，他對老和尚說：「你放心吧，磬再也不會自己響了。」從這以後，磬真的就不再自己響了。老和尚問曹紹夔：

「為什麼那個磬被你銼了幾下，以後就不再自己響了呢？」

曹紹夔回答說：「這個磬的律跟你們鐘樓那口大鐘的律正好相同。因此，只要鐘樓裡的大鐘一響，這個磬就跟著響起來。我用銼把磬銼了幾下，它們的律就不相同了。所以撞那口大鐘的時候，這個磬就不再跟著響了。」老和尚聽了這番話，消除心中的疑惑，病也就好了。曹紹夔所說的「律」就是現在我們所說的樂器的「頻率」。什麼是頻率呢？就是樂器在發聲的時候，每秒鐘振動的

共振音叉（圖片來源：http://goo.gl/l5fpnG）

次數。老和尚房裡的磬和飯堂裡的大鐘頻率恰好相同，小和尚一敲大鐘，大鐘振動起來，便發出一定頻率的聲波。聲波透過空氣，傳到老和尚房裡的磬上，磬的頻率因為和大鐘聲波的頻率相同，就跟著振動起來，發出了響聲。這種現象，在物理學上叫作「共振」，或叫作「共鳴」。曹紹夔把磬銼了幾下，就改變了磬的頻率。磬的頻率和大鐘不相同，就不會再跟著大鐘發生共鳴了。磬，是中國古代打擊樂器，用石或玉雕成，懸掛於架上，以槌擊之而鳴。商代已有單一的特磬，周代常有十幾個大小相次成組的編磬。特磬用木槌擊奏。殷墟出土的磬，有半圓形與曲折形兩種，後多作曲折形。周代以來用於雅樂。編磬是由懸

聲音的共鳴故事

掛在木架（古稱「虡」或「簨虡」）上的一系列的磬組成，用小木槌擊奏。各時代形制大小不一，枚數不等。《初學記》卷十六引《三禮圖》：「凡磬十六枚同一簨虡謂之編磬。」清乾隆時玉製的磬各枚大小一律，因厚薄相異而發音不同。 3

《辭海》上說：磬是「佛寺中敲擊以集僧的鳴器，狀如雲板。姚合〈寄無可上人〉詩：『多年松色別，後夜磬聲秋。』又佛寺中缽形的銅樂器也叫磬。」

共鳴共鳴，也叫「共振」。當振動系統作受迫振動，而外力的頻率與其固有頻率接近或相等時，振幅急遽增大的現象。發生共振時的頻率稱為「共振頻率」。在聲學中，由於聲波的作用而引起的共振現象，叫「共鳴」。

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寒山寺的鐘聲

江南古城蘇州的城西，有座千年古寺 ─ 寒山寺。始建於梁天監年間，初名「妙利普明塔院」。相傳唐貞觀年間高僧寒山、拾得曾在此住持，遂更名寒山寺。寒山寺屢建屢毀。清咸

寒山寺

豐十年（1860 年）全寺再次毀於戰火，現存建築均為清末重建。有大殿、藏經樓、鐘樓、楓江樓、碑廊等建築。新中國成立後經兩次全面修整，黃牆綠樹，莊嚴幽深，引人入勝。唐代詩人張繼途經寒山寺，寫有〈楓橋夜泊〉詩：「月落烏啼霜滿天，江楓漁火對愁眠；姑蘇城外寒山寺，夜半鐘聲到客船。」從此，詩韻鐘聲，膾炙人口，寒山寺因此名揚天下。寺院歷經滄桑，張繼詩中所詠的古鐘早已失傳，明嘉靖年間所鑄寺鐘傳說流入日本。光緒三十一年（1905 年）寒山寺重修時，日本人士募鑄仿唐式青銅乳頭鐘送歸，現懸於大殿右側。

寒山寺的鐘聲

〈楓橋夜泊〉這首詩不僅在中國為人們所熟知，在日本也廣為流傳。許多日本人夢寐以求在除夕聆聽寒山寺鐘聲。1980 年 12 月從下旬開始，有 500 多名日本遊客陸續來到蘇州，等待聆聽除夕鐘聲。日本民間相傳，除夕之夜敲鐘 108 下，就能除盡世間煩惱，迎來錦繡前程。除夕晚上 10 點整，日本遊客一批批來到

寒山寺，午夜 11 點 40 分，寒山寺性空法師走上鐘樓，敲響了新年的鐘聲。當鐘聲響到 108 下的時候，正是元旦零點整。頓時，日本遊客歡呼雀躍，高興極了。〈楓橋夜泊〉這首詩，除了描寫深秋時節蘇州城外的景色和旅客的心情，還道出了一個有趣的物理現象。 寒山寺大鐘（圖片來源： http://goo.gl/38fS82）

楓橋與寒山寺相隔幾里遠，到了深夜卻能清晰地聽到它的鐘聲。是因為夜深人靜，所以鐘聲特別清晰嗎？

有點關係，但卻不完全是，真正的原因要從空氣裡尋找。我們知道，大氣的底部是對流層，對流層中空氣的溫度隨著高度的升高而遞減。對流層的厚度一般有 10 多公里。再往上就是平流層，在平流層的底部一直到距地面 50 公里左右的地方，形成了一個溫度隨高度遞增的區域，稱為逆溫層。升到 50 公里以上，氣溫再次下降，在 80 公里處取得第二個極小值。然後又繼續上升，這是第二個逆溫層。由於聲音在空氣中傳播的速度隨溫度的上升而增大（更確解譯聲波密碼

切地說是與溫度的平方根成正比），在對流層中，由於溫度隨高度的升高而遞減，所以聲音的傳播路線向上曲折，使大量聲波能量散失在空中，如此一來，在距離聲源稍遠的地面就聽不到聲音，這裡就是靜區（或稱影區）。但往上傳播的聲音到達對流層的頂部和平流層的底部時，我們知道這裡存在逆溫層，於是聲波的上部比下部傳播得快，所以聲波往下曲折。這樣聲波又被反射回到地面，於是在距離聲源更遠的地面上又能聽到聲音，這裡就是響區。由於地面的強烈反射，上述的過程又能重複，這就是靜區和響區相間的原因。「夜半鐘聲到客船」，正

是這種情況。

在 1921 年，德國奧本地區的一個大型化工廠發生一次驚人的大爆炸。爆炸聲傳得很遠，許多人在 200 多公里以外的地方都聽到了轟隆轟隆的爆炸聲。奇怪的是，離爆炸中心 100 ∼ 200 公里之間的地區卻聽不到爆炸聲響。同年 5 月，在莫斯科近郊也發生過一次大爆炸，在半徑 70 公里以內和 160 公里以外的地方都能聽到爆炸聲，而在 70 ∼ 160 公里這個範圍內，連一點聲音也沒有聽到。這都是聲波在大氣中傳遞時發生拐彎而造成的。

對流層對流層是大氣圈底部對流運動顯著的氣層。受地表影響很大。厚度在赤道地區約 17 ∼ 18 公里，中緯度約 12 公里，兩極約 8 公里；夏季厚而冬季薄。層內氣溫隨高度增加而顯著降低，平均減溫率達 6.5°C/ 公里。大氣中水氣大部分集中於此層，因此，常產生雲和降水等天氣現象。對流層頂厚度從數百公尺到 2 公里，平均氣溫在低緯度地區約為 -83°C，在高緯度地區約為 -53°C，對垂直氣流有很大的阻擋作用。

寒山寺的鐘聲