负责老师：X老师

大家好，我是本次研学的指导师，X老师，欢迎大家来体验《走近超声波》的研学课程。

光，将万物带到我们眼前，通过双眼对光的捕捉，我们看到了世界的美好。然而，在那些双眼无法到达的地方，我们该如何感知世界？今天，我们将迎来了一位“特别的朋友”这位神通广大的朋友，能够帮助我们“看见”那些双眼无法看到的地方。

二、关于“超声波”（12分钟）地点：暂定

活动目标：

了解声波的概念，超声波的发现、发展、特点、效应、应用

活动准备：

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同学们，你们都用什么测量过距离？格尺？绳子？今天我给大家介绍一种特殊的测量工具，它可比一般测量工具酷多了，它就是——声波。一些我们人类无法用尺子一段一段丈量的地方，就可以使用它。

声波怎样探测距离呢？我们先思考这个问题，当你对着峡谷或者山崖大喊的时候，声波会怎么样？

声音碰到高大的障碍物会传回来，这就是回声。

回声（物理现象）是指声波在传播过程中，碰到大的反射面（如建筑物的墙壁、大山等）在界面将发生反射，人们把能够与原声区分开的反射声波叫做回声。

如果有一种仪器，可以精确测量出声音发出、传播碰到障碍物后返回的时间，然后通过声音在空气中传播速度，就可以知道物体间的距离。

声音是由物体振动产生的波动。当物体振动时,这种波动通过空气和水等介质扩散来传播声音。例如当你击鼓时,鼓面会振动。此时,鼓面和这种波动同步推拉动周围的空气:当鼓面凹陷时，周围的空气被拉伸,导致空气密度降低(这种状态称为“稀疏”)。另一方面,当鼓面向相反方向向外鼓出时,周围的空气收缩,导致空气密度增加(这种状态称为“压缩”),气压的这种变化以波的形式在空气中传播。

这种声音的波动被称为声波,它被我们的耳朵接收来并振动用来听声音的器官一耳膜,这样我们就能感知到声音。相反，在没有空气和水等传播介质的空间,如外太空,声音就无法被听到。

声音振动的速度，也就是声音的音调，叫做频率单位是赫兹(Hz)。当声波在短时间内以高频率振动时,它会发出高音调的声音,相反较低频率的声波发出的声音更低沉。人耳能听到的声音范围成为可闻声,在20赫兹到2万赫兹之间。任何频率高于人类听觉范围的声音都被称为超声波。下面的图表显示了振动的频率和以波形表示的音调。

超声波是一种频率高于20000Hz（赫兹）的声波，它的方向性好，反射能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离比空气中远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。超声波因其频率下限超过人的听觉上限而得名。

超声波是怎么被发现的呢？

在二百多年以前，意大利有一个叫斯帕拉捷的科学家。他发现很多动物是白天出去干活儿，晚上回来睡觉，可是蝙蝠却正好相反，白天睡觉，晚上出去干活儿，而且能够在漆黑的夜里敏捷地飞来飞去。斯帕拉捷推测，蝙蝠所以能在夜空中飞翔，可能是因为它有一双特别敏锐的眼睛。于是，斯帕拉捷捉了几只蝙蝠，并且蒙住了这些蝙蝠的眼睛。就在这天晚上，他打开笼子，放出这些蝙蝠。只见这些看不见东西的蝙蝠轻盈地飞向漆黑的夜空。这个实验推翻了斯帕拉捷的以前的推测，蝙蝠到底靠什么在夜空中飞翔呢？难道是靠嗅觉？于是，斯帕拉捷又几只蝙蝠的鼻子堵住，把它们放了出去，结果，这些蝙蝠还是照样非得轻松自如。最后，斯帕拉捷又堵住了几只蝙蝠的耳朵，这一次，飞上夜空的蝙蝠，东碰西撞，很快就从天上掉了下来。斯帕拉捷终于弄明白了，蝙蝠是靠听觉来辨别方向的。斯帕拉捷的这个发现，引起了科学界的关注。科学家们经过经过进一步研究发现，蝙蝠是利用“超声波”在漆黑的夜里飞行的。在蝙蝠的喉咙里边儿，有一个特殊的器官，能够发出一种高频声波，科学家管它叫“超声波”。这种声波一碰到前边儿的物体，就迅速返回来。蝙蝠会通过耳朵接受超声波，来判断明前边儿的障碍物，所以能够在漆黑的夜里自由自在地飞行。

超声波的应用

超声波最早应用于军事，属于绝密范畴。1914～1918年第一次世界大战期间，德国潜艇在海底的活动非常猖獗，法国船只经常被潜艇击沉。由于对方的潜艇看不见，摸不着，因此法国毫无办法来应对袭击。后来法国科学家Langevin开始研究一种水下发射的超声波，当时称为“声纳”。

1922年，德国出现了首例超声波治疗的发明专利；1939年发表了有关超声波治疗取得临床效果的文献报道。

1935年，前苏联的Sokolv应用超声波探测金属物体。

1940年，Fireatong发明了超声回波示波器。

40年代末期超声治疗在欧美兴起，直到1949年召开的第一次国际医学超声波学术会议上，才有了超声治疗方面的论文交流，为超声治疗学的发展奠定了基础。1956年第二届国际超声医学学术会议上已有许多论文发表，超声治疗进入了实用成熟阶段。

国内在超声治疗领域起步稍晚，于20世纪50年代初才只有少数医院开展超声治疗工作，从1950年首先在北京开始用800KHz频率的超声治疗机治疗多种疾病，至50年代开始逐步推广，并有了国产仪器。公开的文献报道始见于1957年。到了70年代有了各型国产超声治疗仪，超声疗法普及到全国各大型医院。

而今，超声波已应用到生物、医学、工业加工、美容、测距、检测、微动、化学、清洗，逐步拓展到生活、工业各方面。

超声波特点

1、超声波在传播时，方向性强，能量易于集中。

2、超声波能在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距离。

3、超声波与传声媒质的相互作用适中，易于携带有关传声媒质状态的信息诊断或对传声媒质产生效用及治疗。

4、超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。

5、超声波可传递很强的能量。

6、超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。

超声效应

当超声波在介质中传播时，由于超声波与介质的相互作用，使介质发生物理的和化学的变化，从而产生一系列力学的、热学的、电磁学的和化学的超声效应，包括以下4种效应：

1、机械效应。超声波的机械作用可促成液体的乳化、凝胶的液化和固体的分散。当超声波流体介质中形成驻波时，悬浮在流体中的微小颗粒因受机械力的作用而凝聚在波节处，在空间形成周期性的堆积。超声波在压电材料和磁致伸缩材料中传播时，由于超声波的机械作用而引起的感生电极化和感生磁化（见电介质物理学和磁致伸缩）。

2、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。空洞内为液体蒸气或溶于液体的另一种气体，甚至可能是真空。因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。与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大多与空化作用有关。

3、热效应。由于超声波频率高，能量大，被介质吸收时能产生显著的热效应。

4、化学效应。超声波的作用可促使发生或加速某些化学反应。例如纯的蒸馏水经超声处理后产生过氧化氢；溶有氮气的水经超声处理后产生亚硝酸；染料的水溶液经超声处理后会变色或退色。这些现象的发生总与空化作用相伴随。超声波还可加速许多化学物质的水解、分解和聚合过程。超声波对光化学和电化学过程也有明显影响。各种氨基酸和其他有机物质的水溶液经超声处理后，特征吸收光谱带消失而呈均匀的一般吸收，这表明空化作用使分子结构发生了改变。

超声波是一种波动形式，它可以作为探测与负载信息的载体或媒介如B超等用作诊断；超声波同时又是一种能量形式，当其强度超过一定值时，它就可以通过与传播超声波的媒质的相互作用，去影响，改变以致破坏后者的状态，性质及结构用作治疗。

超声波的应用

超声波已经广泛的在医学、生物工程、化工、加工、清洗等领域应用。

◆应用到距离、流速、流量、厚度的测量；

◆广泛应用到结石破碎、医学成像、呼吸医疗、B超、彩超、血管内超声波诊断等医学领域；

◆应用到超声探测、安防探测、医学成像、无损探测、水下声纳、地质勘探、管道检漏、触摸屏；

◆在采矿领域，包括超声石油钻井技术、超声稀土加工技术、超声油泥萃取技术等；

◆应用到削磨、钻孔、抛光、焊接等传统加工领域；

◆在家用领域，包括超声驱蚊、超声加肥、超声美容、超声加湿器等；

◆超声悬浮颗粒分离技术，超声垃圾分类技术、超声空化效应降解焦化废水等环保；

◆应用到雾化和空化，如加湿、盆景、园艺、消毒、炼油、乳化；

◆包括微动马达，超声细胞破壁，植物辅助生长等领域的应用。

◆应用到珠宝、首饰、精密零件的清洗；

未来随着超声波技术的发展以及大功率超声的普及，将会更进一步拓展超声波在大型工业化场景、智能工程及生物医疗工程等领域的应用。

三、自然界中的超声波（12分钟）地点：暂定

活动目标：

了解动物与超声波的知识（蝙蝠、海豚、眼镜猴、青蛙、蛾子）

活动准备：

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很多动物都可以发出特定的声音进行交流，我们每天也都能听到各种动物在“说话”。不过，由于人耳结构的原因，我们只能听到频率在20赫兹-2万赫兹之间的声音。对于频率大于2万赫兹的声音，我们是听不到的，所以，虽然有很多动物在我们面前表现得非常安静，但实际上这些动物却一直在喋喋不休，只是我们无法感受到它们的喧嚣而已。它们就是那些能够发出超声波的动物。

擅长利用超声波的动物中，最为人熟知的当属蝙蝠了，蝙蝠常生活在洞穴内，无论如何黑暗、如何狭窄，都不会碰壁。在飞行时，蝙蝠口中会发出高频声波（10000~120000Hz），高频声波碰到障碍物后会折回，蝙蝠的耳膜就能分辨障碍物距离自己的远近，而向适宜的方向飞去。每只蝙蝠，有其固有的超声频率，这样它们可分清自己的声音而不至互相扰乱。

海豚也是利用超声波的高手（海豚发声频率范围约7000~120000Hz），水中的超声波探测系统称为“声呐”。声波在水中传播时的损耗要比光等电磁波小得多，所以海豚之间可以很方便地通过高频声波传达信息、辨别猎物和敌人。

随着对动物的研究越来越深入，科学家发现很多动物都能发出超声波，其作用也是千差万别。

超声波求偶

科学家发现，老鼠并不总是谨小慎微、蹑手蹑脚，它们常常会放声歌唱。当一只雄性老鼠遇到潜在的交配对象时，它会发出一系列复杂的鸣叫声，雌性老鼠会通过辨别它们的音质挑选出最优秀的配偶。

遗憾的是，雄鼠这种超声波叫声的频率超出了人类的听力范围，所以人们以及很多以老鼠为食的肉食动物都无法偷听到老鼠的情歌。这对老鼠来说实在是太重要了，因为雄鼠可以在心仪的雌鼠面前尽情地展现自己的歌喉，而不必担心被捕食者发现，这有利于老鼠选择最优秀的基因遗传给后代。此外，老鼠在被同类打败、发现捕食者或受伤时也会超声波。幼鼠遇到困境时会发出频率更高的超声波，寻求成年老鼠的帮助，如将它们带回到洞穴。

超声波青蛙

据《自然》杂志报道，科学家在中国黄山发现一种非常特别的青蛙，它们之间的沟通交流靠的是一种其他动物听不到的超声波。这种青蛙生活在覆盖着森林的山区，它们大部分时间是在靠近急流的水域生活，那里的水冲击着河中的大石头发出巨大的声音，加上瀑布的声音，导致这些小青蛙发出的声音几乎听不见了。如果这些青蛙想进行交流的话，它们有两个选择，一个选择是发出非常大的叫声，另一个就是转变声音的频率，使之与周围的噪声区别开来。不过，第一个选择显然对它们不利，发出超大声的鸣叫势必会额外消耗它们很多能量，而且也很难持续很长时间。另外，这种叫声无疑也暴露了自己，使它们的天敌更容易根据它们的叫声找到它们的藏身之地。于是，在这种情况下，青蛙慢慢发生了进化，它们不再依靠普通的叫声传达信息，而是转变成用超声波进行交流。同时，它们的耳朵也逐渐由凸出来变成凹陷进去，这样就缩短了耳朵到鼓膜的距离，更适合接收超声波。经过长久的进化，它们可以发出超过12万赫兹的超声波，这种声音能够穿透嘈杂的环境让同类听到，但它们的天敌却听不到这种叫声。

科学家还在美洲热带地区发现了可以探测到超声波的青蛙。这些超声波都是它们的天敌蝙蝠发出的。这些青蛙接收到这些超声波后可以将它们吸收，使其不会被反射回去，导致蝙蝠无法发现自己，从而让自己躲过了被捕食的命运。不过，科学家还不确定这种青蛙自身能否发出超声波。

昆虫也有超声波

每当夜幕降临在热带雨林的时候，各种昆虫就不约而同地开始歌唱，就像是在举办一场交响乐。其中，蝈蝈家族中的一种纺织娘当仁不让地成为乐团的男高音。这种雄性的纺织娘能发出13万赫兹的高频声波，这也是所有已知昆虫发出的频率最高的超声。我们知道，很多昆虫都是靠翅膀摩擦发声的，纺织娘也不例外，但这么高频的声音，如何依靠翅膀间的摩擦来产生呢？

为了探究它们的发声之谜，加拿大多伦多大学的研究人员从哥伦比亚的热带雨林收集了这种纺织娘，用电子显微镜观察它们的翅膀。研究人员发现，当它们的翅膀互相摩擦时，一只翅膀上的锯齿状结构会嵌入另一只翅膀上的钉子状突起中，从而使翅膀产生很大的形变，然后它会猛地弹回，这种高速度使其发出了高频的超声波。这和把橡皮筋用力拉长再松开是一个道理。这种方式既产生了超声波，又不需要额外耗费纺织娘的肌肉能量，可谓是一种精巧无比的发声方式。

飞蛾中有一类虎蛾可以感知到天敌蝙蝠的超声波，并且还能发出超声波与蝙蝠进行交流。当虎蛾收到蝙蝠发来的信息时，就会用胸部的一对鼓膜发出超声波，警告蝙蝠说：“我是有毒的，我的味道非常不好，你不要吃我。”于是，蝙蝠就会改变捕食目标。而且，还有一些无毒的飞蛾也会去模仿这些虎蛾发出的超声波，以此保护自己。研究发现蝙蝠确实会被这种假信息欺骗。

优质的报警信号

加拿大动物学教授詹姆斯•海尔研究发现，北美大草原上有一种特殊的松鼠，当它们发现受到威胁时会发出超声波提醒同伴，这种超声波的频率可以达到5万赫兹，远远超出了人类和其它肉食动物的听觉范围，但这种声音的强度却非常高，平均能达到66.8分贝，相当于人类的大声交谈。所以这些松鼠可以在不被捕食者察觉的情况下及时将信息传递给同伴并逃离危险区域。

近年，科学家又在灵长类动物中发现了这样的报警机制。研究人员发现菲律宾眼镜猴在群体中彼此传递着一种秘密的语言，提醒同伴小心捕食者。这种声音最低频率也超过了6万赫兹，比陆地上老鼠和蝙蝠发出的音调高得多。研究人员表示用超声波报警具有方向性强和不易被捕食者发现的双重优点，所以这对于眼镜猴保护自己是非常有利的。

随着科研仪器的进步和对各种动物研究的深入，科学家将会发现越来越多的超声波动物，我们也将更好地了解这个超出我们听力范围的超声世界的嘈杂。

接下来我们观看一段视频《蝙蝠与蛾子的斗智斗勇》（4分24秒）：

四、自制超声波加湿器（30分钟）地点：暂定

活动目标：

了解超声波加湿器的原理；动手制作超声波加湿器

活动准备：

材料包、5号电池3节、酒精、彩笔

我们要自制一个超声波雾化器，首先我们了解一下它的原理：

理论研究表明，在振幅相同的条件下，一个物体振动的能量与振动频率成正比，超声波在介质中传播时，介质质点振动的频率很高，因而能量很大.在中国北方干燥的冬季，如果把超声波通入水罐中，剧烈的振动会使罐中的水破碎成许多小雾滴，再用小风扇把雾滴吹入室内，就可以增加室内空气湿度，这就是超声波加湿器的原理。如咽喉炎、气管炎等疾病，很难利用血流使药物到达患病的部位，利用加湿器的原理，把药液雾化，让病人吸入，能够提高疗效。也可以在里面加入酒精，达到防疫消毒的效果。同学们每人会得到一个材料包，拿到手后先了解一下每个零件再动手组装：

你们可以根据产品说明书进行组装，制作的过程中有不懂的可以举手问老师。

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……

同学们组装完成后，可以用彩笔给上面的小海豚涂上喜欢的颜色哦！

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五、收获与分享（5分钟）

同学们真棒，今天我们认识了超声波，谁可以和老师分享一下收获和感想？

说的不错，今天的家庭任务是，为超声波用文字加画画的形式设计一份简介哦！

六、结束语

今天的研学课程到这里就结束啦！非常感谢同学们陪老师度过的愉快时光，期待我们下次再见！

七、课程反思