八年级物理上第5节 声与现代科技.docx

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八年级物理上第5节声与现代科技

[八年级物理上]第5节声与现代科技

第5节声与现代科技　　

一、本节三维教学目标　　

1.知识与技能　　

Ø        了解声在现代技术中的应用。

2.过程与方法　　

Ø        通过阅读文字、图片,观看录像资料,获得有关声知识的应用。

3 情感态度价值观　　

Ø        介绍声在现代技术中的应用，培养学生热爱科学的情感。

二、重点和难点　　

本节的重点在于培养学生热爱科学的情感。

三、教学实施建议　　

声学在现代科技中有着广泛的应用。

教材的体系结构中安排本节内容旨在基于第三节“奇异的声现象”的基础之上，纳入更丰富的声学应用知识，拓展STS教育，并提供一个学生自主探究、进行课外拓展性学习的起点。

对于初中学生而言，这部分应用层面的知识难度较大，因此在知识内容的要求上不必做深入要求。

教学过程的侧重点应在于向学生展示关于声与现代科技的丰富生动的信息，培养他们的学习兴趣与研究热情。

（一）教学过程　　

1.情景创设、提出问题　　

在本节教学中，可以先让学生观看有关动物利用声的动画和录像.重新看P43图3-3-6（动物和声音）.可提出以下问题:

什么是超声波、次声波？

动物是如何利用声音的?

你知道哪些声在生活和其他方面的应用？

进而组织学生进行课堂讨论。

2.过程展开　　

基于初中学生的知识面以及知识层次，可能课堂讨论中学生不会提出太多的正确或有用的信息，教师应给予启发。

讨论后教师应该结合教材内容从以下三个主题作展开并进行总结。

（1）超声是个多面手　　

超声波与可听声有一样的传播速度,并遵循反射、折射和绕射等传播规律.但由于频率很高,因此又具有奇特的性质，例如在均匀的介质中定向直线传播；与一般声波相比，它的功率很大等等。

利用超声波的这些特性，可以为人类服务。

让学生观察教材中图3-5-1声纳探测的示意图，提出一些问题：

声纳能测距的原理是什么？

利用声纳测量海底的深度,需要知道什么?

需要测出什么?

然后利用什么公式进行计算?

并引导学生通过思考复习有关声速的概念以及回声现象后，了解声纳测距、定位的原理。

教师还可介绍根据反射波的强弱可测出被测物的大小和形状.并由此进一步说明教材中图3-5-3的B超的基本原理。

学生对超声加湿器会很感兴趣,尤其是不知道是什么把水变成雾状物的,可以让他们通过对教材中文字的阅读,并做适当解释，帮助学生明白其中道理,体会到物理与日常生活的密切联系。

超声在现代生活中的利用很多，但是学生可能对超声还有着较深的神秘感，认为超声与日常生活中接触到的可听声存在着本质的不同。

教师可以对此进行解释，让学生了解超声波与声音（可听声）的根本区别在只于频率范围的不同而已。

对于次声也可以做同样的解释。

（2）次声本领大　　

次声波的频率大至为1Hz-20Hz,由于次声的频率很低,因此显示出它种种的特性.最显著的特性是传播的距离远,而且不易被吸收。

在总结的前提下，可以指导学生阅读教材,并对次声的应用进行归纳。

向学生简单解释海洋中的次声以及自然灾害中产生的次声等等。

如果学生对这一应用内容感兴趣，还可以根据教学资源提供的内容进行进一步的展开。

（3）声识别技术　　

对于这部分内容，因为涉及的理论知识较多，教师做简单总结即可，可以鼓励学生在课后对这一方面的资料进行查询与收集。

如果条件许可（如具有多媒体教室等），教师可以通过利用微软的OfficeXP软件做语音识别技术的简单演示。

（二）材料准备与实验设计　　

1.实验材料准备　　

本节教学需要准备的实验材料有录音机、计算机等。

2.实验设计　　

（1）OfficeXP中的语音输入法及其操作方法　　

Office软件从XP版本开始，采用了语音识别技术。

只要配备有麦克风（或话筒），就可以用语言输入文字和执行操作，非常便利。

要使用语音输入输入功能，需要较高的计算机配置，需要至少400MHz的CPU，128MB内存，采用Windows98以上的操作系统。

在使用前首先要安装语音识别功能，可以通过在word中单击“工具→语音”命令进行安装，系统会出现一个安装向导，在它的提示下就可以顺利完成安装。

安装结来后首先需要对麦克风进行调整。

调整过程中首先注意以下环节：

①不要直接把麦克风放在嘴的前方，并且不要直接对着麦克风呼吸，应该把麦克风放在距嘴侧约5cm宽的地方；　　

②保持一个安静的环境。

先测试一下麦克风，只需要根据提示用平常的语调朗读句子，然后看音量仪的计数是否稳定在绿色区域内就即可。

待音量仪计数稳定后，点击“下一步”测试麦克风的安放位置，再次朗读对话框中的例句，然后听一下回放的录音是否清晰。

一切调整好后，点击“完成”结束对麦克风的调整。

麦克风设置完成以后，系统会进行语音识别的训练。

首先要求确认一些声音基本信息，接着点击“下一步”，系统给出一个例句，可点击“示例”按钮听一听应该如何朗读这样的句子。

之后，再次点击“下一步”就可以开始语音训练了。

语音训练过程中，只要用平常的语调朗读对话框的内容即可。

系统会对用户的语音进行识别，能够识别的语句即呈现选中状态，否则会停留在不能识别的字词那里等待用户进行重复。

所有的语句都识别结束之后，系统会自动生成语音配置文件。

如果用户想再次进行语音训练，那么，可以点击语言栏上的“语音工具”按钮，然后单击“训练”来对计算机进行语音识别的训练。

语音文件配置完成后，即可进行语音输入。

在Word语言栏中，点击“麦克风”按钮，然后单击语言栏上的“听写”按钮，Word就进入“听写模式”，即可口述需要书写的内容，注意那些标点符号也要读出来。

如点击“声音命令模式”按钮，即以口述执行命令。

比如说“打开”，那么程序就会打开“文件→打开”对话框。

当然，语音输入会有一定的错误率，可以通过多次语音训练的方法来提高系统识别率。

在使用听写模式时，最好将当前输入法设置为微软拼音输入法。

如果有时计算机对语音置之不理的话，那么不妨看看当前是否是微软拼音输入法。

如果有多人都使用一台计算机的话，每个人的声音都不一样，需为每一个用户建立一个不同的语音配置文件。

方法是：

点击“开始→控制面板”，双击其中的“语音”项目，打开“语音属性”对话框，点击“语音”选项卡，然后点击“新建”按钮，就可以建立一个新的用户了。

不同用户的语音配置文件是不同的，只要先在这里选中自己的配置文件，然后在Office中就可以进行语音输入了。

四、教学资源　　

（一）参考资料　　

1.超声波　　

超声波一般由具有磁致伸缩或压电效应的晶体的振动产生。

它的显著特点是频率高，波长短，衍射不严重，因而具有良好的定向传播特性，而且易于聚焦。

也由于其频率高，故而超声波的声强通常比一般声波大得多。

用聚焦的方法，可以获得声强高达109W／m2的超声波。

超声波在液体、固体中传播时，衰减很小。

在不透明的固体中，能穿透几十米的厚度。

超声波的这些特性，在技术上得到广泛的应用。

利用超声波的定向发射性质，可以探测水中物体，如探测鱼群、潜艇等，也可用来测量海深。

由于海水的导电性良好，电磁波在海水中传播时，吸收非常严重，因而电磁雷达无法使用。

利用声波雷达——声纳，可以探测出潜艇的方位和距离,因为超声波碰到杂质或介质分界面时有显著的反射，所以可以用来探测工件内部的缺陷。

超声探伤的优点是不伤损工件，可以探测大型工件，如用于探测万吨水压机的主轴和横梁等。

此外，在医学上可用探测人体内部的病变，如“B超”仪就是利用超声波来显示人体内部结构的图像。

目前超声探伤正向着显像方向发展，如用声电管把声信号变换成电信号，再用显像管显示出目的物的像来。

随着激光全息技术的发展，声全息也日益发展起来。

把声全息记录的信息再用光显示出来，可直接看到被测物体的图像。

声全息在地质，医学等领域有着重要的意义。

由于超声波能量大而且集中，所以也可以用来切削、焊接、钻孔、清洗机件，还可以用来处理种子和促进化学反应等。

超声波在介质中的传播特性，如波速，衰减，吸收等与介质的某些特性（如弹性模量、浓度、密度、化学成份、黏度等）或状态参量（如温度、压力、流速等）密切有关，利用这些特性可以间接测量其他有关物理量。

这种非声量的声测法具有测量精度高，连度快等优点。

由于超声波的频率与一般无线电波的频率相近，因此利用超声元件代替某些电子元件，可以实现电子元件难于起到的作用。

超声延迟线就是其中一例。

因为超声波在介质中的传播速度比起电磁波小得多，用超声波延迟时间就方便得多。

摘自《大学基础物理学下册》　　

2.次声波　　

次声是频率低于可听声频率范围的声，它的频率范围大致为10-4～20Hz。

由于次声的频率很低，所以大气对次声波的吸收系数很小，因而其穿透力极强，可传播至极远处而能量衰减很小。

10Hz以下的次声波可以传播至数千千米的距离。

1983年夏，位于印度尼西亚苏门答腊岛和爪哇岛之间的喀拉喀托火山爆发，火山爆发时产生的强次声波绕地球转了3圈，历时108小时后才慢慢消逝。

全世界的微气压计都记录到了它的振动余波。

1986年1月29日，美国航天飞机”挑战者”号升空爆炸，爆炸产生的次声波历时12小时53分钟，其爆炸威力之强，连远在1万多千米处的我国北京香山中科院声学研究所监测站的监测仪都”听”到了。

通常的隔音吸音方法对次声波的特强穿透力作用极微，7000Hz的声波用一张纸即可隔挡，而7Hz的次声波用一堵厚墙也挡不住，次声波可以穿透十几米厚的钢筋混凝土。

次声波具有较大的破坏性。

强烈的次声波通过固体媒质的传播，会直接破坏建筑物，使其损坏或坍塌。

1980年，我国南京某广场的一座大楼施工时，打桩机产生的强烈振动波，把工地附近一家电影院的墙壁震裂，致使这家电影院不得不被拆掉重建。

高空大气湍流产生的次声波能折断万吨巨轮上的桅杆，能将飞机撕得四分五裂；地震或核爆炸所激发的次声波能将高大的建筑物摧毁；海啸带来的次声波可将岸上的房屋毁坏。

次声的频率与人体器官的固有频率相近（人体各器官的固有频率为3～17Hz，头部的固有频率为8～12Hz，腹部内脏的固有频率为4～6Hz），当次声波作用于人体时，人体器官容易发生共振，引起人体功能失调或损坏，血压升高，全身不适；头脑的平衡功能亦会遭到破坏，人因此会产生旋转感、恶心难受。

许多住在高层建筑上的人在有暴风时会感到头晕恶心，这就是次声波作怪的缘故。

如果次声波的功率很强，人体受其影响后，便会呕吐不止、呼吸困难、肌肉痉挛、神经错乱、失去知觉，甚至内脏血管破裂而丧命。

所谓次声波武器就是利用这一原理来对人体产生影响和杀伤作用的一类新概念武器。

由于人听不到、看不见、摸不着次声波，所以又有人把次声波武器称之为”无声杀手”、”哑巴武器”等。

次声波对人类而言可以说是一个双刃剑。

一方面，人们通过研究自然现象产生的次声波的特性和产生机制，可以更深入地认识这些现象的特性和规律，例如人们利用测定极光产生次声波的特性来研究极光活动的规律等。

利用接收到的被测声源所辐射出的次声波，探测它的位置、大小和其他特性，例如通过接收核爆炸、火箭发射火炮或台风所产生的次声波去探测这些次声源的有关参量。

许多灾害性现象如火山喷发、龙卷风和雷暴等在发生前可能会辐射出次声波，因此有可能利用这些前兆现象预测灾害事件等等。

另一方面，次声波对人体是有害的，人类必须防止次声波的污染。

让人头痛的是，由于次声波的穿透力极强，几乎没有什么办法能够消除它对人体的危害。

人们惟一能做的就是在各种次声波污染物上（交通工具、打桩机等）安上减振器，把它对人体的危害减小到最低程度。

（资料来源：

莫永超）　　

3.声音识别技术及其发展　　

语音识别的研究工作大约开始于上世纪50年代，当时AT&T的Bell实验室实现了第一个可识别十个英文数字的语音识别系统——Audry系统。

20世纪60年代，计算机的应用推动了语音识别的发展。

这一时期的重要成果是提出了动态规划（DP）和线性预测分析技术（LP），其中后者较好地解决了语音信号产生模型的问题，对语音识别的发展产生了深远影响。

20世纪70年代，语音识别领域取得了突破。

在理论上，LP技术得到进一步发展，动态时间归正技术（DTW）基本成熟，特别是提出了矢量量化（VQ）和隐马尔可夫模型（HMM）理论。

在实践上，实现了基于线性预测倒谱和DTW技术的特定人孤立语音识别系统。

20世纪80年代，语音识别研究进一步走向深入，其显著特征是HMM模型和人工神经元网络（ANN）在语音识别中的成功应用。

HMM模型的广泛应用应归功于AT＆T的Bell实验室Rabiner等科学家的努力，他们把原本艰涩的HMM纯数学模型工程化，从而为更多研究者了解和认识。

采用ANN和HMM模型建立的语音识别系统，性能相当。

进入20世纪90年代，随着多媒体时代的来临，迫切要求语音识别系统从实验室走向实用。

许多发达国家如美国、日本、韩国以及IBM、Apple、AT＆T、NTT等著名公司都为语音识别系统的实用化开发研究投以巨资。

我国语音识别研究工作一直紧跟国际水平，国家也给予了高度重视。

鉴于中国未来庞大的市场，国外也非常重视汉语语音识别的研究。

美国、新加坡等地聚集了一批来自大陆、台湾、香港等地的学者，研究成果已达到相当高水平。

因此，国内除了要加强理论研究外，更要加快从实验室演示系统到商品的转化。

语音识别系统可有不同的分类方式。

（1）根据对说话人说话方式的要求，可以分为孤立字（词）语音识别系统，连接字语音识别系统以及连续语音识别系统。

（2）根据对说话人的依赖程度可以分为特定人和非特定人语音识别系统。

（3）根据词汇量大小，可以分为小词汇量、中等词汇量、大词汇量以及无限词汇量语音识别系统。

不同的语音识别系统，虽然具体实现细节有所不同，但所采用的基本技术相似，一个典型语音识别系统的实现过程如下图所示。

语音识别技术主要包括特征提取技术、模式匹配准则及模型训练技术三个方面。

此外，还涉及到语音识别单元的选取等问题。