生活中有没有哪些小细节蕴含着深刻的科学知识？

看不清从bm

不知大家是否都有过这样的感受：在夜间，有时会听到一些很远处传来的一些白天听不见的声音。许多人都把这个现象归结为：夜深人静，背景噪音变小了，使得人们更易于分辨远处传来的声音。然而，这仅仅是其中一个因素。但另一个重要的，也是最根本的原因，就是声波的折射现象。



我们知道，声音是声源的振动带动空气，以波的形式往外传播的。假如各处的空气都是相同的，则空气中各点的声速也是相同的，由这个点传出的声波的波前就是一个球面，声音传播的方向是和波前垂直的方向（即半径的方向）。但实际中的大气随着高度的变化，存在温度差。在对流层，温度随高度的升高而降低；在较高的平流层中气温又随高度的增加而升高。这时，沿着地面传播的声波，经过一段距离之后，由于树木、山丘、建筑物等反射和吸收后，就渐渐听不到了；而朝上方传播的声音，到达平流层后又慢慢向下弯曲，拐了弯到一定远处又传播到地面，形成了一个异常的可闻区（即 人耳可听的区域）。这种现象也被称为声折射现象。

说起折射，我们经常会提及「光的折射」，然而却很少讨论到「声音的折射」。之所以我们能够在夜间听到几公里之外的火车轰鸣和警笛声，主要是声波的折射在作怪~




符号解释：界面（interface），n_1、n_2 — 折射率（index），v_1、v_2 — 波速（velocity），θ_1 — 入射角，θ_2 — 折射角。其中，下标 _1、_2 分别表示波的传播过程中有关 介质 1 与 介质 2 的物理量。

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由声学可知，理想气体中，声速为 ，


其中，

• 为气体的热容比（即定压比热与定容比热之比），
  
• 为摩尔气体常量，其近似值为 ，
  
• 为热力学温度，
  
• 为气体的摩尔质量，
  
• 为声速。
  

对于相同的气体，， 一定。声音在 1 个标准大气压和 15℃ 的空气中，传播速度约为 340m/s。

现在，将声速的表达式代入斯涅尔定律
，

并消去  、  、  三个定值，我们有

。

上式表明，声线与法线的夹角 的正弦值正比于气体热力学温度 的平方根。于是，在同一气体中，声音总是从温度高向温度低的部分偏折。（划重点）

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通过上面的讨论，下面我们就可以解释为何夜间往往能听到一些从很远传来的声音了。

白天，由于地面接受太阳辐射，温度升高，靠近地面的大气层比稍高的大气层温度高，也就是说近地声速大于高空。这时声音传播路径折向高空，所以离声源一定距离的地方就听不见了（图一）。到了夜晚，靠近地面空气逐渐冷下来了，高空的气温相对较高，于是转变为高空声速比近地大，因而声音会向地面折射（图二）。这就是夜间声音传得相对远的原因。（划重点）



（图一）



（图二）

现在，住在闹市区的人大概都有这样的体验——对马路车辆行驶造成的讨厌的噪声，白天除了在临街的楼房外，大多感受不到；而到深夜，即使只有一辆车驶过，也会搅得你睡不好觉，甚至隔几座楼还可以听到，就是同样的道理。

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由此可见，我们能够在夜间听见很远的声音，其原理与光学中「海市蜃楼」是非常类似的。或许很多人并不知道，在声学中，这个现象其实有一个更具诗意的名称——「夜半钟声到客船」~