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乐音和乐器物理篇一

课程作业

——《月陨天劫》

物理学是研究物质结构、物质相互作用和运动规律的自然科学，是一门以实验为基础的自然科学，按所研究的物质运动形态和具体对象，它涉及的范围包括：力学、声学、热学和分子物理学、电磁学、光学、原子和原子核物理学、基本粒子物理学、固体物理学以及对气体和液体的研究等.物理学包括实验和理论两大部分，经过实践检验被证实为可靠的理论物理包括：理论力学、热力学和统计物理学、电动力学、相对论、量子力学和量子场论。

科幻电影是好莱坞类型片的一种，其特色的情节包含了科学奇想。和其它类型片一样，它是随着电影工业化生产而出现的，其人物形象、叙事结构和价值观都有一定的模式。它是被批量化、重复化生产的同类产品，满足了人们在闲暇时对一部“很容易看懂”的娱乐电影的需求。同样也和其它类型片一样，它大量生产的都是平庸之作，但在此基础上，也产生了一些在美学、思想和历史上有价值的经典作品。

那么物理学在科幻电影中又是如何体现的呢，接下来我将会借助于一部科幻电影来向大家分析物理学在该电影中的表现形态。

让我们先来了解一下这部电影的内容，正当人们兴致勃勃地欣赏万年一遇的巨型流星雨时，一颗躲藏在流星群中的棕矮星突然冲向月球。巨大的冲击力引起恐怖的爆炸，月球表面的部分区域瞬间碎裂成岩屑。碎片很快坠入地球的大气层，所及之处陷入一片火海。虽然损失并不算大，但极度恐慌的情绪还是在全世界范围内迅速蔓延开来。与此同时，地球上出现了一系列异常－－最开始只是手机信号消失、不规则的静电干扰、奇怪的潮汐现象等不太惹人注目的现象，但事情显然并不这么简单。世界上最顶尖的科学家们开始收集相关线索，试图解读其中的玄机。然而他们惊讶地发现，月球的轨道可能已被彻底改变。更糟糕的是，地球上的异常现象已到了不容忽视的地步－－来自月球的巨大「磁涌」已足以干扰地球的地心引力。地球上某些区域里的人、物体甚至汽车，经常无缘无故地陷入短暂的失重状态。这些区域的产生是随机的，相互独立的。经过精确计算，alex等人证实：还有39天的时间，地球将和月球迎头相撞，世界的末日、人类的末日将在同一天到来！此外，《月殒天劫》对人们之间的情感刻画的非常细腻，亲情、爱情、甚至是陌生人之间的友情，灾难面前的情感更显珍贵，这部影片不仅是部惊险刺激的科幻片，更是一部感人至深的情感片。《月殒天劫》是一部科幻电影，本片由720p蓝光高清片源压制，分辨率720,396。可以看到陨星撞月，海啸，火车、轮船因月球引力腾空而起等特技镜头。《月殒天劫》故事主要描述一颗流星击中月球后，导致了一系列灾难性的后果。如同电影《世界末日》的情节一样，人类派出一支精英团队前往月球，试图寻找拯救地球的最后途径。

下面我们来分析一下部分故事情节，浅析电影当中蕴藏的物理学理论。情节一：电影中第三十八分钟描述一块密度极大的矮星碎片撞击到了月球，其中有一小块落在了地球上。几名科学工作者去考查时，一把小镐头在掏出的瞬间被矮星碎片一下吸了过去。我们假设一下，如果真的有这样一个碎片落在地面上，出现了电影中的众人寻到它的场景会出现电影中的场景吗？由这种物质的密度，我们仅按原子核的密度数量级来算，从片中看到这块物质的直径大约为十厘米，代入万有引力公式计算，其表面的引力加速度为，即是正常地表g的十万倍左右，这么大的加速度自然可以把小镐头吸过来，问题是科学家罗朗德的手摸在这块物质上，还有旁边的人都能安然无恙？这么大的加速度是不会让周围的人一点反应都没有的。最可能出现的情况是周围的人与那个小镐头一样会被瞬间吸过去，地球上没有什么物质的结构可以抗拒比自己重力大十万倍的力量，这些人会被吸过来之后，立刻被压缩得找不到，像是掉入一个无底的黑洞，而且周围的物质也会被吸引到这块物质的周围其结果与刚才的描述一个样！不客气地说，地球上的物质都会是这个下场！地球将被一点一点地吸入这块物质中去！当然月球被更大的物质（电影上叙述另一块物质质量是地球的两倍）撞击，月球一样会被吸入这块物质。在地球上更不可能用大型机械去挖这块物质（电影中有情节描述人们用大型机械去挖这块物质），没什么东西能保存它！原来所以此处可以有更宏大的场面可以拍摄呈现给观众！

情节二：一艘巨轮被吸了起来，集装箱也一样被吸得离开了巨轮。这个场景的漏洞最大，船与集装箱都吸起来了，那水呢？不被吸引起来吗？其实最终的结果是水与巨轮一起被吸起，就像有人说百慕大三角洲有船莫明其妙地失踪是因为那里的重力突然变大，把船吸引下去的结果是错误的一样。如果船所在的地方重力加速度变大，则水对船的浮力一样要变大，（由浮力公式可得）船是不会被吸引到海底的。

情节三：矮星物质被月球磁化后反弹出来的场景。要知道，片中提到这块物质是地球质量的两倍，也就是月球质量的一百六十二倍，要是这块矮星碎片被以片中那么大的速度弹出去还脱离了与地球的关系，那依动量守恒，月球更得跑得无影无踪了。

纵观以上情节，我们能够看出，掌握了物理知识还可以为我们在看电影时做一下专业的评价提供依据，科幻电影中的物理学理论并不都是正确可推理的，也并不都是现实生活中能够实现的。

乐音和乐器物理篇二

乐器中的物理学

张无忌

摘要：本文主要介绍了令人“耳”花缭乱的各式各样乐器的简单分类以及各类乐器具体的发声机制，还列举了“钢琴“、“笛子”的一些简单原理，使得“音频”、“音色”、“响度”、“声阻抗“、”弹性模量“等抽象的物理词汇有了更进一步的与我们面对面。

正文：

爱因斯坦在不断探寻真理的过程中始终与小提琴相伴，钱学森更是把自己在导弹领域做出的突出贡献归功于妻子优美的琴声，可见乐器早已和物理结下了不解之缘。

在姿彩万千的艺术天地中，音乐是一条永无止息的河，它源自人类的心灵，经由生活的沉淀，幻化精美的华章。声音是音乐的直接化身，在我们周围的生活中，既有震耳欲聋的雷鸣，也有小溪流动的熙熙哗哗，既有萧的怅然忧伤，也有唢呐的高亢喜悦，不同感觉的声音源自纷繁多样的乐器，这么多的乐器又可以分为哪些种类呢？大致可分为一下四种：

一、弦乐器。它们通过拉、弹、拨，击的方法使弦振动而发声，再借助共鸣箱使弦的声音在共鸣箱中共呜而被放大。常见的弦乐器有小提琴、大提琴、吉他，二胡、琵琶等。

二、管乐器。它们是一些一端封闭另一端开口的管子，人用嘴吹动簧片或哨子之类的振动器件，激发管内的空气柱振动而发声。西洋乐器中的单簧管、双簧管、等，以及民族乐器中的笛、签、萧、唢呐等都属于这一类。

三、打击乐器。它们是指用器物（棒、槌等）打击膜、板、棒等东西，使之振动而发音的乐器的总称。这类乐器包括：西洋乐器中的定音敲、木琴、三角音叉等，还包括民族乐器中的锣等。

四、电子乐器。现代电子乐器可以分成两类。一类如电吉他、电提琴等，指在原来乐器（吉他、提琴等）的基础上，增添电子扩音系统和音色变化装置，大大改善原有乐器的表现能力。另一类，电子琴等，完全由电子振荡器来完成音阶的组成。在传统乐器中，钢琴弹不出小提琴的音色，笛子也吹不出二胡的声响。而电子琴依靠音色合成网络，能演奏出几十种不同音色的乐器声。此外，它还装有各种自动装置，可以自动产生节奏、和弦等音响效果，大大简化了演奏，甚至一台电子琴能奏出一个乐队的效果来。

乐器就是发出音乐声的机器。因此，任何一种乐器实际上也就是一种声学仪器。下面让我们进一步对乐器的结构进行具体的剖析。

首先，一个乐器必然有声源，即振动源。弦乐器的振动源是振动的弦线。管乐器的振动源可以是振动的簧片，如单簧管，可以是嘴唇的振动，如铜管乐器，也可以是边棱形成的气流振动，如笛子。簧振乐器的振源是簧片的振动，鼓的振源是一个圆膜，钟的振源是整个钟体，电子乐器的振源可以是石英振荡器或是振荡电路。振源是任何乐器必不可少的。

乐器都有发声体。有的乐器的振源就是发声体，如鼓皮、钟体、口琴或手风琴的簧片等。管乐器是靠管来决定音调的。空气在管内形成驻波，通过管口把声音传播出去而发声。有的簧管乐器是由簧和管共同决定音调、在管口处发声的。

不少乐器的发声体还包括了共鸣体，如提琴的弦线振动发出一定音调的音，但声音很小，几乎听不出来.通过琴马、音柱把振动传到琴箱的上下音板，使弦线与琴箱产生共鸣，才能发出我们现在所听到的提琴的声音。

有些乐器还有附件，如大提琴的支杆是一种支持体，还如柳琴的拨子、风琴的风箱、提琴的指板、琴马等。这也同仪器一样，要有个支腿、配件等。

乐器作为一种声学仪器，除了本身结构以外，其发声原理、声驻波的形成、声频的合成、声波的传播、电子乐器的调制和控制、数字音源的制作、线路或结构设计等都是物理内容。

乐器的分类要以其发声的物理机制为依据。制作乐器材料的性能，如湿度、硬度、弹性模量、密度、声波在材料中的传播速度、材料的阻尼性质、声阻抗等，都是物理属性。材料的处理，如人工老化、加湿、烘烤、上保护层等，都是物理方法，用的是物理测量仪器。许多研究乐器的方法如频谱分析、波形观察、激光全息、声电模拟等等都是物理方法。乐器的保存和维护如保持一定温度、湿度等，都是物理环境。

因此，物理学是乐器学的基础。当然，还要加上人的演奏以及音乐学、美学、心理学以及工艺等，才是乐器学的全部。

接下来，让我们一起认识几种有特色的乐器： 0、烂漫的吉他。

声学吉他的祖先，可以追溯到公元两三千年前古埃及的弹拨乐器耐法尔，及古巴比伦和古波斯的古弹拨乐器。8字型内弯的琴体决定了吉他类乐器特有的共鸣特点（电吉他所没有）和外形特点，这也是吉它属乐器和其它弹拨乐器的最大区别。

按照发源地的不同，吉他又可以分为

1、西班牙式吉他；

2、美国式吉他；

3、爵士吉他。

一、乐器之王——钢琴。

广泛流行于世界各国的键盘弦乐器——钢琴，是乐器世界中历史最悠久者之一。主要是它独具的非凡的表现力，从千军万马、惊涛骇浪到潺潺流水、细语低声，无一不可以表达，而且随心所欲、千变万化。下面我们将从其物理基础上来略略予以说明。首先，钢琴的音域广。它的发声频率范围可以从27.5赫兹以下到4186赫兹以上。

第二是它可以奏出和声。钢琴可以同时或很快按下许多个键，发出各种和弦声，利用脚踏板还可以大大扩展和声效果。

第三是音色丰富。由于钢琴的特殊结构，即所有的琴弦都紧固在一块钢板上，因此，即使弹奏一根弦，其它的弦也能“感应”而发出谐波，因此谐波特别丰富。还有一个重要的特点是，钢琴可以通过演奏时变换击键和使用踏脚板的方式，随心所欲地控制力度和音色，使强弱适度，并有千变万化的表现力。

二．竖笛

笛子可以说是乐器中发音最为清脆明亮的。

笛子的发音原理是边棱效应，是气流柱被吹孔切开而产生音响。好比说大风吹着紧闭的门窗会产生咻～咻～咻～像鬼叫的声音一样道理，因此，只要细小的空气柱被切开，笛子就会发出声音。

吹笛子的时候，用手按住或放开一些侧孔，就是改变管长，也就是改变音调。其实，笛子的音调随温度的变化很大。如果温度改变10℃，音调可以改变约1/3个“半音”。这种变化能被人耳清晰的捕捉，影响很大。而笛子的好坏与制作其的材料直接相关。物理是一门探寻真理的学科，从哥白尼到伽利略，再从牛顿到爱因斯坦，一代又一代的大家们把我们带入奇妙的物理世界中；音乐是一种艺术，音乐是大自然的心跳，创造音乐的过程也是对生活，对自然真理的一种追寻。19世纪法国文学家福楼拜所说：“艺术越来越科学化，科学越来越艺术化，两者在山麓分手，有朝一日，将在山顶重逢”。音乐这门艺术与物理这门自然科学正契合的越来越紧密。也正是有了这些丰富的物理原理，世界上才有如此多各具特色的乐器，我们才能听到各种美丽的声音。

参考文献：

1、龚镇雄，董馨著《音乐中的物理》，1994-8-1；

2、（法）纳塔利•德高尔德著；孟筱敏译《西方的乐器》，1999.5

3、赵沨主编《中国乐器》1991.1

4、刘丽芳、王琴纳主编《中国世界音乐文化》2008.5

乐音和乐器物理篇三

专业：软件工程（12级）班级：

姓名：xxx学号：xxxxxx

科幻电影中的物理学

我看过很多科幻电影，对科幻电影中的时空穿梭很感兴趣，大家都看过《机器人总动员》《哈利波特》《爱丽丝梦游仙境》以及我国的古装穿越剧等好看的科幻片，其中有很多物理知识和一些天马行空的思想。

我很喜欢看《爱丽丝梦游仙境》，它讲的是她跟随一只白色的兔子逃到一个洞里，进入仙境。13年前，爱丽丝曾来过此地，但她现在却一点也不记得了。在这里，爱丽丝与那些可爱的老朋友们重逢了：虚张声势的睡鼠，美丽的白皇后和她可憎的姐姐红桃皇后，还有双胞胎兄弟，毛毛虫，白兔，疯帽子等等。在奇妙的仙境历险中，爱丽丝了解到自己身负的重大使命，那就是带领地下世界的居民们结束了红桃皇后的邪恶统治，恢复昔日仙境。

其实用物理学的思想来解释在这个世界上是没有仙境的，仙境的历险也只是作者凭空想象出来的，山洞都是有尽头的，不可能链接到另一个世界，更别提仙境了，只是作者对现实的一种抨击，对爱丽丝勇敢机智的一种赞扬。从物理的角度来讲我们的地球上没有仙境，也没有通往仙境的山洞。

我们都知道动量守恒定律的，大家还记得《机器人总动员》，当电影中的机器人瓦力不小心漂浮进太空后，它无论怎么动，怎么努力都不能漂回到飞船，因为在太空中没有其他的物体甚至空气来使机器

1人瓦力受到向前的力量。如果要使自己得到一个向前的动量，必须对其他物体施加力使得其它的物体得到一个大小相等但方向相反的动量。这样设定向前的动量为正，向后的动量为负，总和仍然与之前一样为零。幸亏机器人瓦力身边带着的一个灭火器瓶，他向后放出灭火用的泡沫，使自己受到反冲力，得到向前的动量，当然，设机器人瓦力向正方向运动，泡沫向负方向运动，机器人瓦力的动量为正，泡沫的动量为负，所以这时系统的总动量仍然守恒。这样，用电影中的实例就是物理的阐述。一个系统如果不受外力或者所受外力为零，则系统的总动量保持恒定。从物理学角度来看，没有什么可以隐形，只有人眼看不到的而已。我们喜欢的《哈利波特》魔幻主题系列电影的主人公拥有一件神奇的隐形道具，然而隐形衣虽然这件隐形衣已不属于科学领域了，人能瞥见物体，是因为光照到物体后被反射到人的视网膜上因此物体的隐身应该属于一个光学问题实现隐形一般有两条路可走一种是寻找能够吸收可见光的特殊材料另外一种就是改变物体对光线的折射率，让电磁波“拐弯”，绕过物体因为天然隐形，当光波从具备正折射率的材料入射到具备负折射率材料的界面时，光波的折射与常规折射相反，入射波和折射波处在于界面法线方向同一侧。但以现在的技术还是不可以实现的，所以这些是作者大胆的夸张和想象。

近年来我国穿越剧很是风行，几天后即将上映的《步步惊情》，就是穿越剧，女主角从清朝穿回现在，清朝男主角穿回现代，他们在时空里穿越过去和将来。前几年《空锁心玉》 《步步惊心》等是女主角穿越回到几百年前的清朝，发生的一系列搞笑感人的故事，时光之旅在理论上是可行的，人类可以打开回到过去的大门和通向未来的捷径。为了实现时光旅行，霍金首先建议人们接纳时间作为第四维的观念。他举了一个非常简单的例子：当人们驾驶汽车时，向前直行和向后倒车是第一维，向左或向右转弯是第二维，在山路上爬坡和下坡是第三维，那么时间就是第四维。对于物理学家来说，时光隧道也许就是虫洞。霍金说，虫洞就在我们周围，只是小到肉眼无法看见。宇宙万物都会出现小孔或裂缝，这种基本规律同样适用于时间。时间也有细微的裂缝和空隙，比分子、原子还要小的空隙被称作“量子泡沫”，而虫洞就存在于“量子泡沫”中。但是目前我们还达不到这样的科技。科幻电影中种种奇特的幻想让我们感到了宇宙的奥秘，生活中一些事情的不可思议，也许那些都不是真的，也许有一定的物理依据，但这都给我们带来了很大的影响，不仅让我们在看电影的同时欣赏到美美的电影大餐，也让我们进一步思考那些是否真实存在，扩宽了物理的研究之路。在学习了科幻电影中的物理学后，我学到了很多物理知识，也明白许多现象，如“时间之旅”“空间折叠”等，真空是不能传播声音的，学习这些物理知识是很有必要的，选修这门课是很有意义的，一方面让我们知道了物理知识的奥秘，一方面启发了我们的想象力。科

幻作品与物理学科的成长也有着明显的相互增进效果，科幻作品给物理学家提供了无尽的猜想，但那毕竟是猜想，就像我前面所讲的《爱丽丝梦游仙境》一样，这个世界上没有仙境，物理也解释不了仙境，它是作者的想象，感情的抒发，对现实世界的一种讽刺，用爱丽丝的勇敢机智打败红桃皇后，鼓励人们要同恶势力斗争到底，争取自由。所以我们要辩证的认识科幻电影中的物理学。

乐音和乐器物理篇四

浅谈物理学中的概率论

课程名称：概率论与数理统计

任课教师：史灵生

姓名：李上

班级：化工系分2班

学号：2012011849

浅谈物理学中的概率论

摘要：概率论作为数学的一个重要分支，为经典统计物理的发展做出重要贡献；然而，在量子力学中，copenhagen学派却对波函数的物理意义有着与经典概率论不同的统计解释——概率幅。

关键字：统计物理 boltzmann分布律 量子力学 概率幅

概率论与数理统计作为数学的一个分支学科不仅与其他数学学科有十分深入的相互渗透，而且与其他自然科学、技术科学、管理科学、以至于人文科学都有着广泛的交叉，与生活实践和科学试验都有着紧密的联系，是许多新发展的前沿学科的基础。作为基础科学的物理学与概率论有着密不可分的关系，本文讲主要谈一谈物理学中的概率论。

1.概率论在经典统计物理中的应用

统计物理学也叫统计力学，是用统计平均的方法研究大量微观粒子的力学行为，是理论物理学重要分支。麦克斯韦-波尔兹曼统计分布是研究独立经典粒子按能量的最概然分布。对物理学，对物理化学，对化学工程都极其重要的意义。该分布在统计力学中占有重要地位，系统的各种热力学性质都与之有着十分密切的联系。

在定域子系中，ni个彼此可以区分的粒子（可分是指它们可以按照位置加以辨别）占据gi个量子态的可能方式有gini种。根据独立性n1，n2，„ni，„个粒子分别占用能级的可能占据方式共有∏igini种。由于n个粒子是可以区分的，n个粒子分别为n1，n2，„ni„个粒子的组合方式也可能有很多种。从n个粒子中取出n1个粒子放到能级中去，粒子的组合方式数为cnin1n!；在余下n1!(nn1)!的n-n1个粒子中取出ｎ2个粒子放入能级中去，这些粒子的组合方式数

cn2

nn1(nn1)!；依此类推，很容易得出可能出现的粒子占据方式总n2!(nn1n2)!

ngiin!ni数为。这样，我们便依据现有的概率论知识推出了gin!in!ni!iii

boltzmann分布定律中微观状态数的数学表达式。后面根据微积分中已经学到的1 《基础物理化学》【m】,朱文涛

lagrange乘数法，结合物理化学中的boltzmann公式，即可得出boltzmann分布律的最终的表达式。后半部分的证明并没有涉及到概率论的知识，因此这里不再赘述。

在统计物理学中，对于费米子的费米-狄拉克统计（f-d分布）、对于波色子的玻色-爱因斯坦统计（b-e分布）和上文提到boltzmann分布是三种重要的统计规律，而它们的得出都与概率论与数理统计有着密不可分的关系。由此可见，概率与统计是统计力学中一项重要的理论武器。

2.量子力学中概率幅概念的引入

著名的美国物理学家feynman曾说：“双缝衍射实验表现了量子力学的一切奥秘。”在物理学中的双缝衍射实验中，当两条缝同时打开时，衍射图形应该是在两条缝轮流打开的条件下得到的两个衍射图形的叠加。这一实验事实表明：经典概率论中的全概率公式并不不适用于双缝衍射过程。2概率幅是以著名物理学家born为代表的copenhagen学派为解释这一现象而提出的假设——一个粒子通过某一条缝到达屏幕上某处的概率幅等于两条缝轮流打开时，该事件的两个概率幅之和——波函数ψ是复数, 而所有可观察的物理量都必须用实数表示，因此born建议将ψ的绝对值的平方看作是波函数和可观察物理量之间的联系桥梁，称为概率幅。概率幅叠加的假设与实验结果符合的很好，这一假设在量子力学中有着重要的意义，它被feynman称为“量子力学的第一原理”3，玻恩本人也因此而获得诺贝尔物理学奖。玻恩本人这样理解这一假设——“量子本身遵守概率定律，但是概率本身还是受因果律支配的。”4虽然有一些物理学家如爱因斯坦、德布罗意等人反对这一观点5，但是至少在目前还是不能动摇这一理论的地位。

在物理理论中引入概率概念在哲学上有着重要意义，它意味着，在已知给定条件下，不可能精确地预知结果，只能用统计的方法给出结论，这与经典物理学中的严格因果律是矛盾的。而如今，混沌正是物理学中一个重要的研究分支。

结束语

概率论与数理统计的发展，促进了包括物理学等其他学科的发展；另一方面，20世纪以来，由于物理学和其他学科的推动，概率论飞速发展，理论课题不断2《概率的干涉与态迭加原理》【j】，谭天荣《the feynman's lectures on physics》，【m】, feynman 4 《introducing quantum theory》，【m】, joseph 5 《quantum paradoxes and physical reality》，【m】, i

扩大与深入，应用范围大大拓宽，已渗透到许多科学领域，应用到国民经济各个部门，成为科学研究不可缺少的工具。因此学好概率论与数理统计这门课程对我们的学习、工作、生活都有着极其重要的意义。

参考文献：1.《基础物理化学》【m】,朱文涛

2.《概率的干涉与态迭加原理》【j】，谭天荣

3.《the feynman's lectures on physics》【m】, feynman4.《introducing quantum theory》【m】, joseph 5.《quantum paradoxes and physical reality》【m】,i