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曾冠茗:波動(dòng)的世界(1)
2016-01-20 6930

波動(dòng)的世界
        無論是自然界中各種悅耳動(dòng)聽的聲音,還是越洋過海傳播信息的無線電波,無論是照亮世界的一束束光線,還是看不見,摸不著,聽不到的X射線、紅外線、紫外線、微波、超聲波、次聲波,它們都屬于波的大家族,都以波動(dòng)的形式向四面八方傳播。
        如果向靜靜的水潭里拋一個(gè)小石子,會(huì)引起潭中水的振蕩,產(chǎn)生一圈圈波紋,形成了水波。各種波大多像水波一樣,由各種振動(dòng)產(chǎn)生。例如人的聲音是由聲帶振動(dòng)產(chǎn)生的,無線電波則是由振蕩電路產(chǎn)生。
       波的傳播就像大海中的波浪一樣,高低起伏,一浪接著一浪地奔向前方。海浪的高度并不是每時(shí)每刻都相同,在狂風(fēng)大作時(shí)有十幾米,在風(fēng)平浪靜時(shí)不足一米;在不同情況下,一分鐘內(nèi)到達(dá)岸邊的海浪個(gè)數(shù)也不同。對(duì)于波來說,浪高相當(dāng)于波的振幅,一定時(shí)間內(nèi)到達(dá)岸邊的海浪個(gè)數(shù)相當(dāng)于波的頻率,由于波的傳播速度很快,聲速為每秒340米,無線電波和光的速度達(dá)到了每秒30萬公里,波的頻率要以每秒能接收到多少個(gè)波來計(jì)算,單位為赫茲。不同種類的波頻率也不同,例如人耳能聽到的聲音頻率范圍為20——20000赫茲,也就是說,人耳每秒能接收到20——20000個(gè)聲波,頻率小于20赫茲的為次聲波,大于20000赫茲的為超聲波;不同顏色的光頻率也不同,紅光頻率約為四百萬億赫茲,紫光頻率約為七百萬億赫茲。
    那么,波的振幅和頻率是由誰決定的呢?答案是產(chǎn)生波的波源。波源的振動(dòng)情況不同,產(chǎn)生的波的振幅和頻率就會(huì)不同。就拿聲波來說,人通過控制聲帶的振動(dòng)情況,會(huì)發(fā)出頻率和振幅不同的聲波,產(chǎn)生各種美妙的聲音。各種樂器能夠演奏出音樂,也是這一原理。
    人們利用波的這一特性在信息的傳播上發(fā)揮了巨大的作用。發(fā)射和利用光纜傳送的頻率和振幅不同的無線電波和光波,可以代表不同的語言文字、聲音和圖象信息,對(duì)方接受到電波后,將它們還原為相應(yīng)的信息,這使遠(yuǎn)距離通信成為可能。電報(bào)、廣播、電視以至于互聯(lián)網(wǎng)的先后發(fā)明和使用,使人們告別了烽火狼煙,飛鴿傳書,邁進(jìn)了一個(gè)新時(shí)代。
    波在傳播過程中遇到障礙物后,可能會(huì)打道回府,沿原路返回,這叫作波的反射;也可能繞過障礙物,繼續(xù)向前傳播,這叫作波的衍射。一般而言,無線電波容易發(fā)生衍射,不易反射,能夠輕松地繞過一些障礙物,因此它能夠飄洋過海地遠(yuǎn)程傳送信息。而超聲波、X射線、可見光等正相反,容易發(fā)生反射,難以發(fā)生衍射,但人類可以使它們物盡其用。例如遠(yuǎn)洋船舶上的超聲波探測(cè)儀,不斷地向海中發(fā)射超聲波,超聲波一遇到暗礁、淺灘、魚群、潛艇等障礙物后立即沿原路返回,被接收器接收到,據(jù)此人們可以清楚地了解海底的情況。在陸地上的雷達(dá),發(fā)出易于反射的電波,可以達(dá)到同樣目的。
    超聲波和X射線與日常生活聯(lián)系最大的應(yīng)用是在醫(yī)療診斷上。超聲波和X射線照射到人體上,在不同的部位反射程度不同,例如穿過肌肉比較容易,遇到骨骼則會(huì)被反射回去;通過正常的和病變的部位,反射程度也不同,醫(yī)生通過觀看形成的照片和圖象,能夠了解人體內(nèi)部的情況。X光機(jī)、B超機(jī)、CT機(jī)等儀器都根據(jù)這一原理制成。超聲波和X射線不僅能檢查人體,還可以探測(cè)機(jī)器設(shè)備內(nèi)部是否出了毛病,芝麻綠豆大的問題也逃不過它們的火眼真睛。
    波的另一個(gè)特性是能發(fā)生干涉。兩列波遇到一起,會(huì)疊加起來,同方向疊加,波會(huì)變的更強(qiáng),反方向疊加,波會(huì)減弱。光的干涉的應(yīng)用比較廣泛。比如照相機(jī)的鏡頭前有一層增透膜,它可以使經(jīng)透鏡前后表面反射的光線發(fā)生干涉,減弱反射光,使進(jìn)入照相機(jī)鏡頭的光線更強(qiáng)。再如工廠里通過向玻璃板上照射特殊的光,通過觀察反射光干涉的情況,可以判斷出玻璃板上哪些部位是凹凸不平的。
    波在傳播過程中也傳遞了能量,如果頻率適當(dāng),還可以使一些物體劇烈振動(dòng)起來,稱為共振。微波爐就是一個(gè)例子。微波爐產(chǎn)生的微波會(huì)使構(gòu)成事物的分子振動(dòng)起來,相互摩擦、碰撞,產(chǎn)生很多熱量,使食物變熟。超聲波在這一方面也有一席之地。一些精密儀器用普通方法很難清洗,如果將它們放到清洗液中,施加超聲波,使清洗液的分子振動(dòng)起來,儀器上的灰塵會(huì)很容易地被沖刷掉。高頻率的超聲波具有很大的能量,在醫(yī)學(xué)上可以粉碎結(jié)石,切除一些腫瘤;在工業(yè)上可以切割一些材料。
    除了以上這些共同特點(diǎn)外,不同種類的波還有各自的特點(diǎn)。譬如,紫外線可以殺菌,紅外線是熱量的指示標(biāo),次聲波可以用來探測(cè)地震、海嘯等,它們?cè)?a target="_blank" style="color: black;" >生產(chǎn)生活中也都有重要作用。
    人們對(duì)各種波的研究和利用,對(duì)很多領(lǐng)域都產(chǎn)生了巨大影響,給我們生活帶來很多方便,使我們生活變得多姿多彩。但這只是浩瀚的科學(xué)海洋的冰山一角,只是廣袤的物理學(xué)大陸的一片土地,科技在生活中的重要地位可見一斑。在未來,科技必將使我們的衣、食、住、行、用等各個(gè)方面變得更加美好。

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