第四节 超声波

教学目标

一、知识与技能

1. 知道什么是超声波。

2. 了解现代技术中与超声波有关知识的应用。

二、过程与方法

1. 通过观察、观看或看录像的等有关的文字、图片、音像资料，获得社会生活中超声波利用方面的知识。

2. 通过介绍知道一些动物对超声波的利用，扩大知识面。

三、情感态度价值观

1. 通过学习，了解超声波在现在技术中的应用，增强最科学的热爱、

2. 通过一些自然界中的动物对超声波利用的了解，激发学生的兴趣。

教学重点和难点：

超声波的应用

学生查找、交流信息、应用知识的能力

收集信息

处理信息 （ 在医学上、在军事上、在生活中、近代科学技术 ）

教学设计图示：

教学过程设计：

新课的引入：

播放海豚表演的视频，提出问题：你知道海豚是如何捕食吗？

新课的教学：

学生主持：今天我们就学习超声波，我们 人耳能感觉到 声音的频率在 20 Hz 至 20000Hz 之间。频率低于 20 Hz 和高于 20000 Hz 的声波，都不能引起人的听觉，低于 20 Hz 的声波叫次声波，高于 20000Hz 的声波叫超声波。 超声波的特点：束射特性、吸收特性、超声波的能量传递特性、超声波的声压特性。现在我分别介绍它们。

一、束射特性

由于超声波的波长短，超声波射线可以和光线一样，能够反射、折射，也能聚焦，而且。遵守几何光学的定律。即超声波射线从一种物质表面反射时，入射角等于反射角，当射线透过一种物质进入另一种密度不同的物质时就会产生折射，也就是要改变它的传插方向，两种物质的密度差别愈大，则折射也愈大。

二、吸收特性

声波在各种物质中传播时，随着传播距离的增加，强度会渐进减弱，这是因为物质要吸收掉它的能量。对于同一物质，声波的频率越高，吸收越强。对于一个频率一定的声波，在气体中传播时吸收得最历害，在液体中传播时吸收比较弱，在固体中传播时吸收最小。

三、超声波的能量传递特性

超声波所以在各个工业部门中有广泛的应用，主要还在于它比可听声波具有强大得多的功率。为什么有强大的功率呢 ? 因为当声波到达某一物质中时，由于声波的作用使物质中的分子也跟着振动，振动的频率和声波频率—样，分子振动的频率决定了分子振动的速度。频率愈高速度愈大。物资分子由于振动所获得的能量除了与分子的质量有关外，是由分子的振动速度的平方决定的 , 所以如果声波的频率愈高，也就是物质分子愈能得到更高的能量、超声波的频率比可听声波可以高很多，所以它可以使物资分子获得很大的能量；换句话说，超声波本身可以供给物质足够大的功率。

四、超声波的声压特性

当声波通入某物体时 , 由于声波振动使物质分子产生压缩和稀疏的作用，将使物质所受的压力产生变化。由于声波振动引起附加压力现象叫声压作用。由于超声波所具有的能量很大，就有可能使物质分子产生显著的声压作用、例如当水中通过一般强度的超声波时，产生的附加压力可以达到好几个大气压力。液体中存起着如此巨大的声压作用，就会引起值得注意的现象。当超声波振动使液体分子压缩时，好像分子受到来直四面八方的压力；当超声波振动使液体分子稀疏时，好像受到向外散开的拉力，对于液体，它们比较受得住附加压力的作用，所以在受到压缩力的时候；不大会产生反常情形。但是在拉力的作用下，液体就会支持不了 , 在拉力集中的 地方，液体就会断裂开来，这种断裂作用特别容易发生在液体中存在杂质或气泡的地方，因为这些地方液体的强度特别低，也就特别经受不起几倍于大气压力的拉力作用。由于发生断裂的结果，液体中会产生许多气泡状的小空腔，这种空泡存在的时间很短，一瞬时就会闭合起来。空腔闭合的时候会产生很大的瞬时压力，一般可以达到几千甚至几万个大气压力。液体在这种强大的瞬时压力作用下，温度会骤然增高。断裂作用所引起的巨大瞬时压力，可以使浮悬在液体中的固体表面受到急剧破坏。我们常称之为空化现象。

现在由每组推荐的同学给大家介绍超声波的应用。

第一组：超声波在 医学上的应用

人体各个内脏的表面对超声波的反射能力是不同的，健康内脏和病变内脏的反射能力也不一样。平常说的“ B 超”就是根据内脏反射的超声波进行造影，帮助医生分析体内的病变。美国科学家正在研究用超声波止住病人体内出血的新技术，可免除手术止血的痛苦与危险。

据新一期英国《新科学家》杂志报道，医生通常用动手术的方式来为病人止血，这一方法风险较大。有研究者设想用超声波对体内伤口进行加热烧灼，借以止血。但如果出血位置在脑部，或出血面积较大，这种方法就很不可取。

美国华盛顿大学的科学家发现，高密度聚焦超声波能加快自然凝血过程，无须加热烧灼伤口就能止血。实验表明，超声波会加快血液运动，激活血小板，使它们错认为自己是在流经一个破裂的伤口，从而加强粘着性，与细胞膜及其它血小板粘附，促进凝血。 这一方法比手术止血和超声波加热止血更安全。研究人员将进一步完善这项技术，先在动物身上试验，然后用于人体。

第二组： 超声波在 军事上的应用

为什么在水中不采用雷达、卫星遥感技术等先进技术而仍用落后的声纳呢？

海水能吸引电磁波，雷达用不上了。海水吸热能力太强，红外线技术无用武之地；水的透光能力差，而吸收光的能力却很强，光学观察设备如望远镜也使不上了。特别是深海中一片漆黑，什么也看不见。探照灯又会暴露自己。 而海水的传声能力却比在空气中强得多。声纳技术就应运而生了。声纳机发出一束不同频率的声音信号，再用特殊设备接受反射信号加以分析，这样就如同安上了蝙蝠的耳朵，周围的情况也就知道了

第三组： 超声波在 生活中的应用

超声波鼠虫驱除器：超声波没有穿透力，故遇到障碍物不能穿透，但是能反射回来，但是必须是硬物体才能反射，但损耗很大。超声波遇软物体能被吸收，如窗帘、沙发、衣、被等物，所以也影响它的使用面积。该仪器寿命 3 年以上耗电极微，每月 1 — 3 度电，输出为 1W 电压为 11 伏对人无危险伤害，安全可靠

超声波洗衣机：彻底“抛弃”洗衣粉，与传统洗涤方式不同，超声波洗衣机主要利用超声波的“空化”作用（超声波作用于液体时可产生大量小气泡 。一个原因是液体内局部出现拉应力而形成负压，压强的降低使原来溶于液体的气体过饱和，而从液体逸出，成为小气泡。另一原因是强大的拉应力把液体“撕开”成一空洞，称为空化。空洞内成为液体蒸气或溶于液体的另一种气体，甚至可能是真空。因为空化作用形成的小气泡会随周围介质的振动而不断运动、长大或突然破灭。破灭时周围液体突然冲入气泡而产生高温、高压，同时产生激波。和空化作用相伴随的内摩擦可形成电荷，并在气泡内因放电而产生发光现象。在液体中进行超声处理的技术多数与空化作用有关），产生巨大能量，将污垢从衣物上“震”下来溶解到水中，然后再通过内筒的转动对衣物进行摔打和水流穿透，洗净衣物。超声波洗衣机不仅无污染，而且比普通洗衣机节水三分之一。

BJ49- 密度计超声波清洗器，本系列仪器的超声波发生源和震板为独立组件 , 主要适用于油田、炼油厂密度计圆管内壁清洗，同时也适于各种相同密度计尺寸规格的管道、圆管、方管内壁的清洗。

第四组： 超声波在 近代科学技术上的应用

很多动物都有完善的发射和接收超声波的器官。以昆虫为食的蝙蝠，视觉很差，飞行中不断发出超声波的脉冲，依靠昆虫身体的反射波来发现食物。海豚也有完善的“声纳”系统，使它能在混浊的水中准确地确定远处小鱼的位置 。现代的无线电定位器——雷达，质量有几十、几百、几千千克，蝙蝠的超声定位系统只有几分之一克，而在一些重要性能上，如确定目标方位的精确度、抗干扰的能力等都远优于现代的无线电定位器。深入研究动物身上各种器官的功能和构造，将获得的知识用来改进现有的设备和创制新的设备，这是近几十年来发展起来的一门新学科，叫做仿生学。