喧嚣的运动场上,裁判高举发令枪,一声号响震彻耳畔:”准备——起跑!”号令刚落,运动员们如离弦之箭般疾驰向终点。身处终点的你,若稍加留心,便会发现:当枪声传来的那一刻,运动员已越过起跑线,计时员也早已按动秒表约0.3秒。这是为何?

原来,声音在介质中传播需要一定的时间。实验证明:在常温(15℃)和标准大气压下,空气中的声音每秒钟可传播约340米。这种在单位时间内传播的距离称为声速。也就是说,空气中的声速为340米/秒。号令枪发出的声音从起跑处传到终点处,需要经过100米的距离,因此约需0.3秒。显然,计时员不能以枪声为准启动秒表。在起跑处旁立有一块小黑牌。当裁判举枪对准黑牌并击发时,枪声命令运动员起跑,而枪口冲出的白烟在黑牌的反衬下,会被终点处的计时员清晰地看到,并以此为据启动秒表。白烟的光传播到计时员的眼睛也需要时间。但光传播速度为每秒30万公里,传播100米所耗时间可以忽略不计。

若仔细观察乐队领衔的运动员队伍,你会发现他们的步伐并不是整齐的;紧跟乐队的运动员迈出左脚时,约170米后的运动员却在迈出右脚。难道是运动员们没有练好?不,这同样是”声速”在作怪。因为乐声传播170米远已需要约0.5秒,而走一步的时间也约为0.5秒,自然170米后的运动员步伐就会迟一步。

设若在广州用收音机收听北京”首都剧场”的音乐会实况转播,那么首都剧场的听众先听到音乐,还是广州的听众先听到?表面上看,剧场的观众似乎先听到。但经过计算,结果却大相径庭。无线电波传播的速度是30万公里/秒,假设北京到广州的距离为3000公里,那么无线电波从北京传到广州仅需1/100秒。而在这1/100秒的时间里,声音只能传播3.4米。首都剧场的观众离舞台的距离一般都在十米以上。首都剧场的听众反而比广州的收音机听众晚听到音乐声。

声速并不是一成不变的。随着温度的变化,声速也会略有变化。在空气中,温度每升高1℃,声速增加0.607米。不同介质中声速也不相同。水中的声速是1450米/秒,钢铁中是5000米/秒,玻璃中是5000~6000米/秒,而橡胶中只有30~50米/秒。

为什么声音在不同介质中传播速度不一样?科学家们研究发现,传播速度与介质的性质有关。声音传播过程中,介质分子会在各自的平衡位置附近振动。当某个分子偏离平衡位置时,周围其他分子会将其拉回到平衡位置,因此介质会抵制偏离平衡位置的倾向。抵制能力强的介质,传递振动的能力也强,传递声音的速度也就快。水分子的抵制能力比空气分子的强,因此声音在水中的传播速度比空气中快。而铁分子的抵制能力比水分子的强,因此声音在钢铁中传播速度更快。

掌握了各种介质中的声速数据后,可应用于多个领域。例如:测量两点间的距离、测量钢板厚度、判断输油管输送的油品、测量海水深度等等。