物理學(xué)家：托里拆利

1、生平簡介 科學(xué)成就 趣聞軼事一、生平簡介托里拆利（16081642）是意大利物理學(xué)家。1608年10月15日誕生于意大利的法恩 扎。托里拆利的父親是一位紡織業(yè)主，由于經(jīng)營情況不佳，日益衰落。父親為了擺脫窘境， 被迫把托里拆利送給伯父雅可布撫養(yǎng)。1627年，伯父在刖友們的勸說下，把托里拆利送到 羅馬，拜伽利略的得意門生、數(shù)學(xué)家和水力學(xué)工程師卡斯特里為師，繼續(xù)深造。從1630年 到1641年，托里拆利在伽利略的朋友夏波利手下工作，主要從事力學(xué)研究，寫了一批論文。為了向卡斯特里等有名第一章聲學(xué)部分一、自制聲學(xué)小實(shí)驗(yàn)輔助物理課教學(xué)物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，在目前新教材使用的初期階段里，卻岀現(xiàn)了同

2、步的 實(shí)驗(yàn)器材還比較匱乏的現(xiàn)象。筆者在教學(xué)過程中，利用飲料瓶設(shè)計(jì)自制了百余種小實(shí)驗(yàn)，以 彌補(bǔ)教學(xué)之不足。有些小實(shí)驗(yàn)可以用于課堂演示，有些還可以當(dāng)成家庭作業(yè)布置給學(xué)生。現(xiàn) 在將利用飲料瓶制作的部分聲學(xué)小實(shí)驗(yàn)介紹給大家，以利于在今后的教學(xué)過程屮選用。i鐘聲響起將兩個飲料瓶都剪去底部并做成喇叭狀，用細(xì)線系在瓶口的瓶蓋上，再用細(xì)繩的小間部 分系住一把鋼勺（圖1）。將兩個喇叭口罩住兩只耳朵并貼緊耳根，并用鋼勺去撞擊桌子等物 品時，你能聽到什么?可以請兒位學(xué)生上臺試試，并談?wù)勛约旱母惺堋Ｍㄟ^課堂參與的小活 動，可以激發(fā)學(xué)生的興趣，調(diào)動其求知的積極性。繼續(xù)讓一個學(xué)生手提著細(xì)線并用鋼勺碰撞 課桌，再談?wù)勈稚系?/p>

3、感受。通過剛才的小實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生了解到，振動能夠發(fā)出聲音來，并 且可以通過細(xì)繩等物體向外傳播；同一個聲音從空氣傳到耳朵和從細(xì)線等傳入耳朵，其感受 卻是不同的。圖i2水中的振動由于振動而發(fā)出的聲音，可以在固體和氣體中傳播，聲音能在液體中傳播嗎?用細(xì)線系 好三把i口鑰匙，放入盛水的大飲料瓶內(nèi)并上下抖動細(xì)繩（圖2）,你聽到了什么?可以聽到碰撞 聲從水中傳出來。仔細(xì)聽又會發(fā)現(xiàn)，鑰匙在空氣川碰撞和在水屮碰撞發(fā)聲是不一樣的。學(xué)生 經(jīng)過親手做、親眼看的實(shí)驗(yàn)過程，將會對聲音的傳播有了比較深刻的認(rèn)識，并可以激發(fā)學(xué)生 繼續(xù)去探究新的知識。ra 23聽到自己的心跳自己的心跳可以摸到，但不常被聽到。如果剪下飲料瓶上半

4、部并在瓶蓋上打孔后插入一 段塑料軟管后（圖3）,就很容易聽到了。將做好的漏斗部分靠近胸部，軟管另一端靠近右耳。 移動漏斗的位置，一定要仔細(xì)聽聽，可以找到心跳最強(qiáng)的位置處于胸部左側(cè)。從剛才幾個簡 單的實(shí)驗(yàn)制作中，可以引導(dǎo)學(xué)生去主動觀察、思考和分析。同時，可以幫助學(xué)生更好地理解 聲音產(chǎn)生和傳播的有關(guān)概念。4頻率計(jì)聲咅的產(chǎn)生，其咅調(diào)有高有低。我們可以將飲料瓶剪去底部，瓶壁剪成齒狀，瓶蓋鉆孔 后用筷子緊緊插入，做成頻率計(jì)（圖4）。用右手捻轉(zhuǎn)筷子，同時用齒去碰紙片，當(dāng)快轉(zhuǎn)或慢 轉(zhuǎn)時，你聽到的聲音有什么不同呢?在實(shí)際操作中，可以培養(yǎng)學(xué)生動手和動腦的能力，加深對頻率概念的理解。5獨(dú)弦琴利用細(xì)線和飲料瓶就可以

5、把聲咅的特征演示出來。將一個飲料瓶剪去底，瓶蓋鉆孔后用 牙簽和一段細(xì)線系住作為音箱，另一端系在一個裝滿水的瓶子上。左手拿著音箱并控制弦的 張緊程度（瓶子不要離開地面），同吋右手撥動琴眩（圖5）o這樣就可以聽到不同的咅調(diào)和演 奏效果，頗有古色古香的韻味。如果撥弦力量大時，發(fā)聲就響。如果細(xì)繩被拉得越緊，發(fā)聲 音調(diào)就會越髙。如果將繩子變短，音調(diào)將會發(fā)生變化。如果改用粗繩子，音調(diào)也將會發(fā)生變 化。假如改用細(xì)銅絲后，會聽到與剛才不同的音響效果，說明音色也發(fā)生了改變。同一個實(shí) 驗(yàn)，可以不斷改變某一條件，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行發(fā)散思維，積極探究，讓學(xué)生在實(shí)際研究過程中，理解聲音的特征。6打擊樂器學(xué)到了理論知識，就可以

6、用來指導(dǎo)新的實(shí)踐活動。收集幾個相同的大飲料瓶，向瓶內(nèi)倒 入不同高度的水，用筷子敲擊瓶子，瓶子會發(fā)出不同的聲音（圖6）o仔細(xì)調(diào)節(jié)水量，可使各 瓶發(fā)出不同的咅調(diào)。實(shí)踐證明，瓶中水越少，發(fā)聲咅調(diào)也就越高。這樣，在理論聯(lián)系實(shí)際的 過程中，培養(yǎng)了學(xué)生們學(xué)以致用的好習(xí)慣。田67排簫振動的瓶體和水能夠發(fā)聲，瓶內(nèi)被吹動的空氣也可以發(fā)聲。將飲料瓶從大到小排列，口部排齊后用膠帶繞在瓶壁上，把3個瓶子固定在一起(圖7)。雙手握住瓶壁，嘴唇分別靠近瓶口吹氣，就可以聽到不同的聲音。以圖7此來引導(dǎo)學(xué)生在吹和聽的過程中，學(xué)會分析和判斷，并能得出瓶內(nèi)空氣越少，發(fā)出音調(diào)就會越高的結(jié)論。在演示“物體振動產(chǎn)生聲咅”時，可以采用在揚(yáng)

7、聲器(a)的紙盆上裝一片平面鏡(b), 在揚(yáng)聲器的対面裝一光源(c),與揚(yáng)聲器連接一聲源(e).當(dāng)聲源信號傳輸?shù)綋P(yáng)聲器時， 揚(yáng)聲器產(chǎn)生振動發(fā)聲，同時帶動平面鏡振動，光射人到振動的平面鏡，平面鏡隨著聲音 的強(qiáng)弱、高低，把長短、頻率快慢不同的振幅光斑反射到屏幕(d)上，如圖，能讓全班 學(xué)生清楚地看到實(shí)驗(yàn)裝置、組成結(jié)構(gòu)、操作過程，以及實(shí)驗(yàn)中所發(fā)生的現(xiàn)彖，并讀出有 關(guān)數(shù)據(jù)等.要做到這點(diǎn)，教師應(yīng)把演示架或演示臺加高，觀察小物體時可以采用幻燈、 光路、行程放大等方法.對一些難以觀察的現(xiàn)象用較明顯的實(shí)驗(yàn)加以說明，效果將會很 好.二. 制作音調(diào)可變的哨子在筷子上捆一些棉花（或碎布），做一個活塞。用水蘸濕后插入

8、兩端開口的朔料管或竹管中。用嘴吹管的上端，可以發(fā)出悅耳的哨音。上下推拉“活塞”，音調(diào)就可以改變。（圖8）你能練著用它吹出一首歌嗎？思考與分析：（1）、音調(diào)的高低是由什么決定的？（2）、這個哨子是怎樣來改變音調(diào)的？探究學(xué)習(xí)某同學(xué)用5只粗細(xì)相同的而高矮不同的瓶子做如下試驗(yàn)：如（圖9）所示 你認(rèn)為：（1）嘴對5只瓶吹氣，5只瓶均發(fā)出聲咅的原因是什么？（2）5只瓶均發(fā)出不同的音調(diào)的原因是什么？（3）應(yīng)用上述試驗(yàn)結(jié)論，說明吹笛子時，用手指堵住笛孔的原因是什么？三. 研究土電話你可能早就玩過“土電話”了：用粗棉線（俗稱“小線"）栓上兩個紙盒，一人對著紙盒講話， 另一人把紙盒貼在耳朵上。就聽到了聲

9、音。聲波怎樣在繃緊了的棉線里傳播呢？我們不妨改 進(jìn)一下“土電話”的實(shí)驗(yàn)，研究一下那根棉線上的聲波。找一段小線，在線中間拴上一面小鏡 子，線的一端拴在椅子背框上（或者由一位同學(xué)拉?。?，線的另一端穿在一個較大的紙盒子 上。拿住紙盒子，把線繃緊，讓陽光照到鏡子上，鏡子的反射光線映到墻上。線繃緊之后, 鏡子穩(wěn)定下來了，它反射出來的光斑也就不再晃動了。敲一下紙盒，紙盒發(fā)出了聲響，與此 同時你會看到，鏡子反射出的光斑晃動了，它上下左右地?fù)u晃著。這個實(shí)驗(yàn)說明，聲波在小線里傳播時，出現(xiàn)了比較復(fù)雜的情況：拴著鏡子的那一點(diǎn)既有上下 振動（與聲的傳播方向垂直），又有前后振動（與聲波的傳播方向一致） 我們再看一看 長

10、紙板傳聲的情況。找一塊長紙板（或長些的木板），在紙板上放兒小塊紙屑或瓜子皮。敲 紙板的一端，另一端聽到了聲音。同時觀察小紙屑或瓜子皮，它們上下前后胡亂地移動著位 量。這個實(shí)驗(yàn)說明，固體表面?zhèn)鞑ヂ暡〞r，也出現(xiàn)了復(fù)雜的情況。1885年著名的英國物理 學(xué)家瑞利在理論上指出，聲波在固體表面?zhèn)鞑r，會出現(xiàn)一種奇妙的表面聲波。表面聲波是 在固體表面（即兩種介質(zhì)的交界面）上傳播的聲波，它既不同于橫波也不同于縱波，而是兩 者的合成。1900年英國地震學(xué)家根據(jù)地震儀獲得的記錄，證實(shí)地震時地表而確實(shí)存在這種 奇異的波，并且把它命名為瑞利波。表面聲波有許多種，瑞利波只是表面聲波的一種模式。 表面聲波并不神秘，你把石

11、頭扔到水里，在聽到聲響的同時會看到水面上蕩漾起一個接一個 的波紋，那就是在水面上傳播的一種表面聲波。那水面就是兩種介質(zhì)（水和空氣）的交界面。 盡管人類對聲波的研究已經(jīng)有幾百年的歷史，表面聲波技術(shù)卻是最近二十幾年才興起的。1965年美國科學(xué)家懷特發(fā)明了一種儀器叫“叉指換能器”，這種儀器可以使電信號產(chǎn)生表面 聲波，也能使表面聲波產(chǎn)生電信號。從此，表面聲波技術(shù)就在電視廣播、通訊、雷達(dá)、電子 計(jì)算機(jī)等各項(xiàng)技術(shù)中大顯身手了。聲波是列縱波，其質(zhì)點(diǎn)振動方向與波傳播方向在同一直線上；聲波由振動引起，而它 傳播時乂能使它所遇到的物體作受迫振動，人耳就是因此而感受聲音。但聲波的上述特點(diǎn)似 乎難以被“看見”，學(xué)生們

12、對此心存疑慮。為此，我們可進(jìn)行下列實(shí)驗(yàn)演示：如圖3,將一揚(yáng) 聲器與學(xué)生電源的交流電（頻率50hz）相連，喇叭口正對一燭焰，當(dāng)喇叭通電發(fā)聲時，可 看到燭焰左右振動，原不可見的空氣質(zhì)點(diǎn)振動通過燭焰得以顯現(xiàn)。也可將蠟燭置于錄音機(jī)喇 叭前，再播放有節(jié)奏的鼓擊音樂，能看到燭焰隨看節(jié)拍聲前后振動（振動方向與聲波傳播方向在同一直線）。如圖4,將喇叭與頻率可調(diào)的咅頻發(fā)生器相連。取一平底的透明植物油空 桶，截去上半部后擦干，里面輔一層塑料小顆粒，將塑料桶漸漸靠近發(fā)聲著的喇叭，可看到 桶底塑料小顆粒上下跳動且幅度越來越大。保持桶底與喇叭間距一定，調(diào)節(jié)聲源頻率，可看 到小顆粒跳動的幅度隨z改變，在某一音頻時，振動最

13、強(qiáng)烈，此為聲波激起的共振現(xiàn)象。五、聲音“吹滅”蠟燭聲音具有能量，它表達(dá)了物體的振動，當(dāng)聲音傳遞到人耳引起耳鼓膜振動時，我們可以 感覺到聲音。它是一種看不到、摸不著的聲波。下面介紹用聲音“吹滅”蠟燭實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)器材：田徑比賽時用的發(fā)令槍，蠟燭，大一些的拋物面反射鏡一對（或小鐵鍋 一對），直徑30cm、焦距8cm的拋物面反射鏡，光具座，燭臺，十字夾，試管夾，鐵架 臺等。實(shí)驗(yàn)方法：實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。® 1（1）將直徑及焦距相同的兩個拋物|衍反射鏡分別固定在鐵架臺上相向放置，間距約6070cm,間距的大小是依照拋物面反射鏡或鍋的大小靈活而定。（2）在兩個拋物面反射鏡下方放置一個光具座。測定拋

14、物面反射鏡的焦距。方法一：應(yīng)用公式i+-=丄求乙 方法二 在陽光v u f下借用一把直尺測量。(4) 在兩個拋物面反射鏡的中間放一支或幾只點(diǎn)著的蠟燭，在左邊反射鏡的焦點(diǎn)處 也放一只點(diǎn)著的蠟燭。(5) 在右邊的拋物面反射鏡的焦點(diǎn)處打響發(fā)令槍，就可以發(fā)現(xiàn)左邊反射鏡焦點(diǎn)處的 蠟燭熄滅了，而兩拋物面反射鏡中間其他蠟燭未被“吹滅”。實(shí)驗(yàn)原理：拋物面反射鏡起著把聲音集中到一點(diǎn)(焦點(diǎn))的作用，在聲音集屮的地方 點(diǎn)著一支蠟燭，“啪”的一聲槍響，聲音在兩個拋物面反射鏡z間傳播一反射一傳播一 反射一會聚，通過左邊拋物面反射鏡焦點(diǎn)處聲波最強(qiáng)，能量最大，空氣的振動就集中于 那一點(diǎn)，蠟燭就被“吹滅” 了。而中間其他蠟燭

15、未被“吹滅”的原因是它們所處位置的 聲波強(qiáng)度不如焦點(diǎn)處。本實(shí)驗(yàn)包含聲波的傳播方式、強(qiáng)度、反射等多個知識點(diǎn)，趣味誘人，很受學(xué)生青睞。科學(xué)史料一、聽診器的發(fā)明有一天，一位聰明的年輕大夫觀看幾個小孩做游戲，這一游戲?qū)е铝艘环N最重要的醫(yī) 學(xué)儀器一一聽診器的發(fā)明。孩子們在玩蹺蹺板，不過他們不是騎在木板上，一上一下地玩耍。有一個孩子把耳朵 貼近木板的一端，另一個孩子就用釘子刮擦木板另一端，他們對聲音穿過木板傳播的情形感 到十分驚奇。這位法國年輕大夫勒內(nèi)雷奈克看到了而且記住了這一情景。幾年以后，他在一次感 到羞怯的場合下，又回憶起了這件事情。在1816年，有一次他出診去給一位年輕的姑娘看 病，這位姑娘異常肥

16、胖，他知道，如果按當(dāng)時醫(yī)生們的慣例，除非把耳朵貼近她的胸部，是 不會聽得很清楚的。但是，他非常羞怯，不好意思用這種方法聽她的心臟和肺部。他回憶起了自己看到過的孩子們的游戲，于是，他拿了一疊紙，把紙卷得緊緊的，把 紙卷的一端放在姑娘的胸部，另一端靠在自己的耳朵上，他所聽到的聲音比他過去把耳朵直 接貼在病人的胸部時耍清晰得多，這時他真是又驚又喜。后來，他做了一根木管，改進(jìn)了這 個儀器，把這根管子從頭到尾穿一個小孔，并將一端挖空。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，這時心臟的跳動就聽得格外清楚了。后來人們把這種儀器叫 做聽診器。的學(xué)者請教，托里拆利于1641年再去羅馬。在卡斯特

17、里的推薦下，托里拆 利于1641年10月10日來到伽利略身邊工作，并和伽利略的學(xué)生維維安 尼結(jié)成了很好的朋友。伽利略去世后，他的保護(hù)人托斯吉姆大公爵讓托里 拆利以學(xué)院數(shù)學(xué)教授的名義作為伽利略的繼承人。從此他便在佛羅倫薩愉 快地度過一生，作了大量科學(xué)工作，在學(xué)術(shù)界贏得盛譽(yù)。托里拆利于1647年10月25日在意大利的佛羅倫薩去世，年僅39歲。二、科學(xué)成就1. 托里拆利在物理學(xué)屮的主要貢獻(xiàn)是設(shè)計(jì)了有名的托里拆利實(shí)驗(yàn)， 證明真空的存在，發(fā)現(xiàn)了大氣壓強(qiáng)。發(fā)明了水銀柱式氣壓計(jì)。2. 在物理學(xué)中的其它科學(xué)成就還有：(1) 磨制成直徑80毫米的望遠(yuǎn)鏡透鏡，還用小玻璃球作透鏡制成簡易顯 微鏡。(2) 在風(fēng)的成因

18、問題的爭論中，托里拆利提出風(fēng)產(chǎn)生于兩個地區(qū)空氣的 溫度差或密度差的主張，澄清了人們的認(rèn)識。用酒精把伽利略所發(fā)明的氣體溫度計(jì)改制成液體溫度計(jì)，這種溫度 計(jì)沿用至今，其結(jié)構(gòu)仍與當(dāng)時的大體相同。托里拆利研究過水動力學(xué)，并解決了許多實(shí)際水利工程問題。3. 在數(shù)學(xué)方而，他寫了不少有價值的數(shù)學(xué)論文，對擺線、圓錐曲線、 對數(shù)曲線等進(jìn)行了深入的研究。三、趣聞軼事師生關(guān)系的表率1628年，卡斯特出版了一本有關(guān)流體力學(xué)的著作。托里拆利仔細(xì)研 讀了導(dǎo)師的名著，還做了一系列實(shí)驗(yàn)，逐個驗(yàn)證書中的重要結(jié)論。他發(fā)現(xiàn), 書中關(guān)于液體從容器底部小孔流出的速度和小孔離液面高度成正比的結(jié) 論，和實(shí)驗(yàn)不符。經(jīng)過反復(fù)測量和計(jì)算，他總結(jié)出水從容器底部小孔流出 的速度和水從小孔上方的水面高度自由下落到小孔時候的速度相等，進(jìn)一 步