第三节 超声波与次声波（教学设计）物理新教材沪科版八年级全一册

该初中物理教学设计聚焦“超声波与次声波”核心知识，通过“狗狗对空吠叫”的生活情境导入，明确人耳20Hz-20000Hz听觉范围，衔接声音产生与传播的前序知识，构建从可听声到超声次声的声学知识支架。 资料以核心素养为导向，物理观念上精准界定超声次声频率及特性，科学思维通过分类对比辨析“传递信息”与“能量”应用，科学态度结合地震监测等案例培养社会责任。运用蝙蝠动画、B超视频等多媒体素材，助力学生联系生活提升探究能力，为教师提供清晰知识体系与实用教学资源。

第三节 超声波与次声波（教学设计） 年级 八年级全一册 学科 物理 教师 课题 第三节 超声波与次声波 教学 目标 物理观念 1．明确人耳听觉的频率范围为20Hz至20000Hz，知晓可听声的边界条件； 2．精准掌握超声波（高于20000Hz）与次声波（低于20Hz）的定义，建立清晰的声学频率分类观念； 3．理解超声波与次声波的核心物理特性，知晓二者在生活与科技领域的典型应用。 科学思维 1．深入理解超声波方向性好、穿透力强、能量集中，以及次声波传播远、衰减小的核心特点与典型应用场景； 2．学习运用分类归纳、对比分析的物理研究方法，梳理声波特性与应用的关联逻辑； 3．能准确区分声音“传递信息”与“传递能量”两类应用，形成清晰的辨析思路。 科学探究 1．通过医学B超、工业无损探伤、次声波监测自然灾害等真实案例分析，培养从生活与科技现象中发现并提炼物理知识的能力； 2．尝试设计简单的声学探究方案，提升观察、分析与解决实际声学问题的探究能力。 科学态度 与责任 1．感受声学技术在医疗、工业、环保等领域的应用价值，激发对物理学科的探索兴趣与学习热情； 2．了解次声波与地震、海啸等自然灾害的关联，树立运用科学知识保护环境、预防灾害的社会责任意识； 3．认识仿生学的科技价值，体会生物特性对人类技术创新的启发意义。 教材 分析 本节是第二章《声的世界》的第三节，是声学基础理论向科技应用延伸的重要课时。在学生已掌握声音的产生、传播与三大特性的基础上，拓展人耳听觉范围之外的声波领域，系统介绍超声波与次声波的定义、物理特性、多元应用及潜在危害。教材以生活情境与仿生案例为切入点，结合医疗、工业、国防、防灾等真实场景，将抽象的声学特性转化为具体的科技应用，既完善了声学知识体系，又充分体现了“从物理走向社会”的课程理念，对培养学生的科学应用意识与防灾减灾观念具有重要价值。 学情分析 1．知识储备：学生已掌握声音的产生与传播、声音的特性等基础知识，知道人耳能感知声音，但对听觉频率范围的边界认知模糊，对超声波、次声波的具体特性与应用了解较少，多停留在碎片化的生活认知层面。 2．思维能力：学生具备一定的案例分析与归纳能力，但对“声音传递信息”与“传递能量”两类应用的辨析容易混淆；对次声波共振危害等抽象原理的理解需要借助实例辅助。 3．学习特点：学生对医疗、仿生、防灾类的科技应用兴趣浓厚，乐于了解前沿技术与生活相关的物理知识，但对概念的精准辨析和原理的深度理解需要教师逐步引导。 教学重点 1．超声波与次声波的频率界定及核心物理特性； 2．超声波在医疗、探测、工业领域的典型应用； 3．次声波在自然灾害预警中的作用与潜在危害。 教学难点 1．理解超声波“方向性好、穿透力强”的特性与成像、探伤应用的内在逻辑； 2．精准区分声音“传递信息”与“传递能量”两类应用场景； 3．理解次声波共振效应的破坏原理。 教学 器材 多媒体素材：蝙蝠回声定位动画、B超检查科普视频、次声波灾害预警短片、超声波清洗演示视频； 教学挂图：声呐工作原理示意图、动物听觉频率范围对比图； 演示器材（可选）：小型超声波清洗机、眼镜片 教师活动 学生活动 导入新课 【情境导入】提出生活疑问：安静的房间里，狗狗有时会突然对着空处警惕吠叫，而我们却听不到任何声音。这是为什么？难道存在人类听不到的“声音世界”？ 结合学生猜想引入课题：人类的听觉范围是有限的，在我们的听觉极限之外，还有超声波与次声波两个广阔的声学领域。今天我们就一起探索人耳听不到的声波，了解它们的特性与应用。 结合生活经验思考问题，产生认知好奇；带着对“无声世界”的探究兴趣进入新课学习。 学习新课 一、人耳的听觉范围 1．明确听觉边界 讲解：人耳能感知的声音频率范围是20Hz~20000Hz，这个频段的声音叫做可听声。 2．声波分类定义 ①超声波：频率高于20000Hz的声波； ②次声波：频率低于20Hz的声波。 强调：二者都属于声波，具备声波的共性（由振动产生、靠介质传播），但超出了人耳的听觉感知范围。 识记人耳听觉频率范围，准确掌握超声波与次声波的频率界定； 3．动物听觉拓展 展示不同生物的听觉频率对比表：蝙蝠、海豚可听到超声波，大象可感知次声波，狗的听觉范围远大于人类。 回应导入问题：狗狗能听到人类感知不到的超声或次声，因此会提前做出反应。 了解不同动物的听觉差异，解释生活中的相关现象，拓宽认知视野。 学习新课 二、超声波及其应用 1．仿生案例：蝙蝠的回声定位 播放蝙蝠夜间捕食的动画，讲解：蝙蝠在黑暗中靠发射超声波，接收障碍物反射的回声，就能精准判断目标的位置、距离与形态，这就是回声定位。 点明：人类受此启发，发明了声呐、雷达等技术，这就是仿生学的魅力。 观看动画，理解蝙蝠回声定位的原理，感受仿生学的应用价值； 2．超声波三大核心特性 结合案例归纳： ①方向性好：可定向聚集成束发射，能量不易分散，适合精准探测； ②穿透能力强：能穿透人体组织、金属构件等固体，可深入内部探测； ③能量易聚集：可在狭小空间汇聚大量声能，产生强力机械作用。 识记超声波的三大核心特性，建立特性与应用的对应关联； 3．超声波的应用分类 （1）探测与定位——传递信息 声呐：向水中发射超声波，通过回波时间差测算海底深度、探测鱼群与潜艇，是海洋探索的核心技术； 生活应用：汽车倒车雷达、超声盲杖，均利用回声定位原理感知障碍物。 方法总结：回声定位的核心逻辑是“发射—反射—接收”，将声波信号转化为空间信息。 （2）医学影像——传递信息 讲解B超成像原理：探头向人体发射超声波，声波遇到不同组织的界面会发生反射，探头接收回波后经计算机处理形成体内影像。 介绍优势：无创、无辐射、安全性高，广泛应用于产检、脏器检查等临床场景。 （3）工业与能量应用——传递能量 工业探伤：利用强穿透性检测金属、混凝土内部的裂缝与缺陷，保障工程安全； 超声清洗：利用“空化效应”产生的冲击力剥离精密物件表面的污垢，适合清洗眼镜、首饰、仪器缝隙； 超声碎石、杀菌消毒：利用超声能量击碎体内结石、破坏病菌结构。 分类学习超声波的多元应用，理解每项应用对应的物理特性；掌握回声测距的基本原理； 了解B超的成像原理与医学价值，体会物理对医疗健康的贡献； 掌握区分传递信息与传递能量的判断方法； 4．方法点拨 区分“传递信息”与“传递能量”的技巧：获取位置、结构、状态等消息属于传递信息；引起物体破碎、振动、清洁等变化属于传递能量。 完成典例练习，准确辨析应用类型，突破易错点。 学习新课 三、次声波及其作用 1．次声波的来源 分类讲解： ①自然来源：地震、火山爆发、海啸、台风、风暴等剧烈自然现象，都会伴随次声波产生； ②人为来源：核爆炸、火箭发射、大型工程爆破、重型机械运转等强能量活动也会产生次声波。 总结：次声波总是伴随大规模的能量释放而产生。 了解次声波的两大来源，知道其与强能量释放的关联； 2．次声波的核心特点 ①来源广泛，自然与人类活动中普遍存在； ②能量损耗小，传播极远：可在大气、海洋中传播数千公里，甚至绕地球数圈； ③波长极长，绕射能力强，能轻易绕过山脉、建筑等大型障碍物。 识记次声波的核心特点，对比超声波的特性形成差异化认知； 3．次声波的应用 ①自然灾害监测预警：地震、海啸等灾害发生前会释放次声波，通过监测次声波可捕捉早期信号，为防灾减灾争取宝贵时间； ②气象与国防监测：可用于探测大气风暴变化，也可远程监测核爆炸、火箭发射等活动。 理解次声波在灾害预警中的重要价值，树立防灾减灾的科学意识； 4．次声波的危害 讲解共振原理：次声波频率与人体器官的固有频率接近，容易引发共振。 ①对人体：轻度引发恶心、眩晕、耳鸣；高强度可损伤内脏，甚至危及生命； ②对物体：可引发建筑、桥梁、精密仪器共振，造成结构损坏。 强调：次声波的危害具有隐蔽性，人耳无法直接察觉，必须依靠科学监测与防护。 理解共振危害的原理，认识次声波的两面性，建立辩证认知； 5．典例分析 讲解例2、例3，巩固次声波的来源、应用与辨析。 完成典例练习，准确区分超声与次声的应用场景。 课 堂 练 习 1．据下图分析，下列说法正确的是（　　） A．大象之间的“交谈”人都可以听见 B．静谧的夜晚我们身边的狗有时突然耳朵一竖并转动几下，这可能是狗听到了人听不见的声音 C．家人之间说悄悄话，身边的狗无动于衷，因为悄悄话狗听不见 D．因为大象的听觉频率和狗的发声频率没有重叠区，所以狗的叫声大象永远也听不见 【答案】B 【解析】A．大象发出的声音的频率范围有一部分不在人的听觉频率范围之内，故A错误； B．狗的听觉频率范围是，人的听觉频率范围是，因此狗能听到人听不见的声音，故B正确； C．人发声的频率范围是，狗的听觉频率范围是，人说悄悄话狗是能听见的，故C错误； D．大象的听觉频率范围是，而狗的发声频率范围是，因此大象是能够听到狗的叫声的，故D错误。 故选B。 2．关于声的利用，下列说法正确的是（   ） A．倒车雷达是利用了次声波来识别障碍 B．蝙蝠靠超声波发现昆虫 C．地震海啸火山喷发等自然灾害往往会伴随超声波的产生 D．“B超”诊断病情是利用声传递能量 【答案】B 【解析】A．倒车雷达是利用超声波来区分障碍物的距离，利用了超声波传递信息，故A错误； B．蝙蝠在飞行时能够发出超声波，超声波碰到蛾子、蚊子等昆虫或其它的障碍物反射回来，蝙蝠根据反射回来的超声波就可以对前方的物体做出判断，故B正确； C．地震、海啸、火山喷发等自然灾害往往会伴随次声波的产生，故C错误； D．声波既可以传递信息又可以传递能量，“B超”诊断病情是利用超声波传递信息，故D错误。 故选B。 3．某品牌新能源汽车配备自动泊车系统，其原理是通过车身周围的超声波传感器发射超声波，根据反射信号判断周边障碍物的距离。下列相关说法正确的是（　　） A．超声波传感器利用了声波传递能量 B．自动泊车系统的提示音“嘀嘀”声属于超声波 C．超声波在空气中的传播速度大于次声波的传播速度 D．该系统与蝙蝠飞行的定位原理相同 【答案】D 【解析】A．超声波传感器是利用声波传递信息来判断周边障碍物的距离，而非传递能量，故A错误； B．人耳能听到自动泊车系统的提示音“嘀嘀”声，说明其频率在人耳听觉范围内，不属于超声波，超声波是频率高于20000Hz的声波，人耳听不到，故B错误； C．超声波和次声波在空气中的传播速度相同，声速只与介质和温度有关，与声波的频率无关，故C错误； D．该自动泊车系统通过超声波传感器发射和接收超声波来判断障碍物距离，蝙蝠飞行也是通过发出超声波，根据反射波来定位，二者原理相同，故D正确。 故选D。 4．我国的南海海域，齿鲸发出的巨大的超声波震晕一群小鱼，在齿鲸旁观察的潜水员却没有听到齿鲸发出的声音，下列说法正确的是（   ） A．该声音响度大、频率高 B．该声音靠空气传播给潜水员 C．说明声能传递信息 D．该声音在人耳听觉频率范围内 【答案】A 【解析】A．齿鲸发出巨大的超声波能震晕小鱼，“巨大” 表明声音响度大，“超声波” 说明频率高于 20000Hz，频率高，故A正确； B．齿鲸在海水中，声音是靠海水传播，而非空气传播给潜水员，故B错误； C．齿鲸发出超声波震晕小鱼，体现的是声能传递能量，并非传递信息，故C错误； D．超声波频率高于 20000Hz，超出人耳听觉频率范围（20Hz-20000Hz），所以潜水员听不到，故D错误。 故选A。 5．雄蝉腹部的鸣管会不断振动发声，如图某种蝉1分钟鸣管振动了36000次，则蝉鸣叫的频率为______Hz，人耳______（选填“能”或“不能”）听到该种蝉鸣声，原因是______。 【答案】 600 能 人耳听觉频率范围为20~20000Hz 【解析】[1]蝉1分钟鸣管振动了36000次，则蝉鸣叫的频率 [2][3]人耳的听觉频率范围是20~20000Hz，该种蝉鸣声的频率在此范围内，所以人耳能听到该种蝉鸣声。 6．2023年12月18日晚，甘肃发生6.2级地震，西安有轻微震感，此次地震给人民群众的生命财产造成了重大损失。地震会产生__________（选填“次声波”或“超声波”），频率___________（填“低于”或“高于”）20Hz，超出了人类听觉的范围；利用超声波还可除去人体的碎石，是因为声波可以传递___________。 【答案】 次声波 低于 能量 【解析】[1]地震产生的是次声波。次声波是频率低于20Hz的声波，具有传播距离远、穿透力强的特点。 [2]人类能听到的声波频率范围是20Hz-20000Hz。次声波的频率低于20Hz，因此人耳无法直接听到。 [3]超声波在医学上可用于碎石治疗，这是因为超声波具有能量传递的特性。当超声波聚焦在结石上时，其携带的能量能使结石破碎。 7．如图甲所示，将眼镜放在超声波清洗机中清洗时，眼镜上的污垢振动频率至少大于________Hz，人耳听到超声波清洗机工作时发出“嗡嗡”的声音，这_______（选填“是”或“不是”）超声波。人们利用超声波成像技术发明了超声检测仪，利用其可以观察母体内胎儿的情况，如图乙所示，这说明声波可以传递_________。 【答案】 20000 不是 信息 【解析】[1][2]振动频率高于20000Hz的声波是超声波，将眼镜放在超声波清洗机中清洗时，眼镜上的污垢振动频率至少大于20000Hz；人耳能听到的频率范围为，人耳听到超声波清洗机工作时发出“嗡嗡”的声音，这不是超声波，人耳不能听到超声波。 [3]声波可以传递信息和能量，如图乙所示，利用其可以观察母体内胎儿的情况，这说明声波可以传递信息。 8．渔民为了测量鱼群与渔船的距离向鱼群发射超声波，经14s收到回波信号，鱼群距离渔船___________m（声音在海水中的传播速度为1500m/s）。这种方法___________（选填“能”或“不能”）用来测量地球和月球之间的距离。 【答案】 1.05×104 不能 【解析】[1]超声波从发出传到鱼群的时间 则鱼群到渔船的距离 [2]由于地球与月球之间是真空，而声音不能在真空中传播，因此这种方法不能用来测量地球和月球之间的距离。 9．用雷达测定某云层的厚度的过程中记录了下列数据：从地面垂直向云层发射一束超声波，同时开始计时，经过16s收到第一次回声，经过18s收到第二次回声，已知超声波在空气中的传播速度是340m/s，在云层中的平均传播速度约为1000m/s。求： (1)云层距地面高度； (2)云层的厚度。 【答案】(1)2720m；(2)1000m 【解析】（1）云层距地面高度为 （2）声音在云层中传播的时间为 云层的厚度为 10．根据回声定位的原理，科学家发明了声呐，利用声呐系统，人们可以探知海洋的深度，绘出水下数千米处的地形图。若用超声测位仪向海底垂直发射声波，如图所示，经过4s后收到回波。（ 已知声音在海水中传播速度是1500m/s）求： (1)声音在4s内传播的距离； (2)此处海水有多深？ 【答案】(1)6000m；(2)3000m 【解析】（1）根据的变形公式可知，声音在4s内传播的距离 （2）超声波在此过程中“一去一回”，所以海水的深度等于声音传播距离的一半，即此处海水深度 11．如图1的导盲杖说明书如表所示，导盲杖发出的声遇到障碍物后反射回来，手柄接收回波后通过振动提醒盲人前方有障碍物。人、蝙蝠发声和听觉频率范围如图2所示。（15℃时声速为340m/s） 说明书（节选） 声频率 40000Hz 与障碍物距离/m 1-1.5 0.5~1 0~0.5 手柄每秒振动次数 1 2 3 (1)导盲杖发出的是___________（选填“超声波”或“次声波”）； (2)导盲杖主要利用了声可以传递___________（选填“信息”或“能量”）； (3)若气温15℃时导盲杖发出声后0.005s接收到回波，则它与障碍物的距离是___________m。根据表中信息推断此时导盲杖手柄每秒振动___________次； (4)蝙蝠___________（选填“能”或“不能”）发出与导盲杖相同频率的声波。 【答案】(1)超声波；(2)信息；(3)0.85 2；(4)能 【解析】（1）超声波的频率大于20000Hz，由表格数据可知，导盲杖发出的声音频率为40000Hz，为超声波。 （2）声音可以传递信息和能量，盲杖主要利用了声可以传递信息。 （3）[1][2]若气温15℃时导盲杖发出声后0.005s接收到回波，则它与障碍物的距离是 由表格可知，此时导盲杖手柄每秒振动2次。 （4）由图可知，蝙蝠的发声频率为10000~120000Hz，导盲杖的发声频率为40000Hz，因此蝙蝠能发出与导盲杖相同频率的声波。 12．请阅读下列材料，回答下题： 超声波指纹识别技术 传统指纹识别TouchID已成为智能手机的标配。随着黑科技超声波指纹识别技术SenserID的出现，屏下指纹的全面屏手机变得越来越普及。 与传统指纹识别不同，超声波指纹识别技术是通过发射超声波扫描紧贴屏幕的指纹，并根据接收到的反射超声波分析得出指纹的信息，进行比对解锁。 超声波是频率超过人类听觉上限的声波，具有较强的穿透能力，能够穿透玻璃、铝、不锈钢、蓝宝石或塑料等。此外，超声波扫描能够不受手指上可能存在的污物影响，例如汗水、护手霜或凝露等，从而提供一种更稳定、更精确的认证方法。 (1)超声波是指频率高于__________Hz的声波； (2)大自然的许多活动，如地震、火山爆发、台风、海啸等，都伴有__________波的产生； (3)SenserID系统能置于手机内部，可以让超声波透过屏幕进行指纹识别，是因为超声波具有__________的特点； (4)超声波指纹识别是通过声波获取指纹的信息，以下各项应用与此不同的是 。 A．科技工作者利用声呐探测海底深度 B．技工利用超声波给金属工件探伤 C．医生利用超声波除去人体内的结石 D．渔民利用声呐探测海中鱼群 (5)SenserID系统利用了仿生学原理，它模仿了下列哪个生物 ； A．蝙蝠 B．大象 C．青蛙 D．猫 (6)SenserID系统能向手指上若干个位置发射超声波，如图可知贴在手机屏幕上的一部分指纹的大致形状，可以检测到被手指反射的信号所需的时间相同的两个点是__________。 【答案】(1)20000；(2)次声；(3)穿透能力强；(4)C；(5)A；(6)BD（或AC） 【解析】（1）人耳的听觉范围20Hz至20000Hz，高于20000Hz的声音属于超声波，人耳听不到，低于20Hz属于次声波，人耳也听不到。 （2）地震、火山爆发、台风、海啸等，都伴有次声波的产生，可据此监测这些自然灾害。 （3）超声波具有穿透力强的特点，所以可以让超声波透过屏幕进行指纹识别。 （4）超声波指纹识别是通过声波获取指纹的信息，即利用了声可以传递信息。 A．科技工作者利用声呐探测海底深度，利用声音可以传递信息，故A不符合题意； B．技工利用超声波给金属工件探伤，利用声音可以传递信息，故B不符合题意； C．医生利用超声波除去人体内的结石，利用声音可以传播能量，故C符合题意； D．渔民利用声呐探测大海鱼群，利用声音可以传递信息，故D不符合题意。 故选C。 （5）SenserID系统运用仿生学原理，其核心功能模仿了蝙蝠的回声定位系统。蝙蝠利用超声波回声进行导航和定位，SenserID系统也借鉴了这一机制，实现环境感知和导航，故A符合题意，BCD不符合题意。 故选A。 （6）超声波的传播速度一定，距离越远，则接收到的超声波所用的时间越长；距离相同，则接收到的超声波所用的时间相同，结合图可以检测到被手指反射的信号所需的时间相同的两个点是（或）。 板 书 设 计 第三节 超声波与次声波 一、人耳听觉范围 可听声：20Hz~20000Hz；超声波：频率>20000Hz；次声波：频率<20Hz 二、超声波 三大特性：方向性好、穿透能力强、能量易聚集 应用 ①传递信息：声呐、B超、工业探伤、倒车雷达；②传递能量：超声清洗、超声碎石、超声消毒 三、次声波 来源：自然（地震、海啸、台风）、人为（核爆炸、爆破） 特点：传播远、衰减小、绕射强 应用：灾害预警、气象国防监测 危害：共振损伤人体与建筑 课 堂 小 结 作业布置 1．基础作业：完成课后同步习题； 2．实践作业：查阅资料，整理3种动物的听觉频率范围及对应的超声、次声感知能力； 3．拓展任务：了解我国次声波地震监测系统的作用，撰写一段100字左右的科普说明。 教学反思 1．亮点：本节课以生活疑惑与仿生案例引入，贴合学生认知，有效激发探究兴趣；按照“定义—特性—应用—危害”的逻辑层层递进，知识体系清晰；通过分类辨析突破“传递信息vs传递能量”的易错点，结合医疗、防灾等真实场景，充分落实了物理核心素养与社会责任教育。 2．不足：超声波、次声波的原理讲解偏抽象，课堂缺乏直观的实验演示，部分学生对穿透性、共振效应的理解不够深入；应用案例的拓展深度有限，对我国相关声学科技成就的融入不足。 3．改进：增加超声波清洗的课堂演示实验，让学生直观感受超声波的能量效应，化抽象为具象；补充我国深海声呐、国产超声医疗设备等科技案例，增强科技自信与民族自豪感；增设小组讨论环节，让学生自主梳理应用分类，提升归纳辨析能力与合作学习意识。 学科网（北京）股份有限公司2/2 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