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曾冠茗:波动的世界(1)
2016-01-20 6918

波动的世界
        无论是自然界中各种悦耳动听的声音,还是越洋过海传播信息的无线电波,无论是照亮世界的一束束光线,还是看不见,摸不着,听不到的X射线、红外线、紫外线、微波、超声波、次声波,它们都属于波的大家族,都以波动的形式向四面八方传播。
        如果向静静的水潭里抛一个小石子,会引起潭中水的振荡,产生一圈圈波纹,形成了水波。各种波大多像水波一样,由各种振动产生。例如人的声音是由声带振动产生的,无线电波则是由振荡电路产生。
       波的传播就像大海中的波浪一样,高低起伏,一浪接着一浪地奔向前方。海浪的高度并不是每时每刻都相同,在狂风大作时有十几米,在风平浪静时不足一米;在不同情况下,一分钟内到达岸边的海浪个数也不同。对于波来说,浪高相当于波的振幅,一定时间内到达岸边的海浪个数相当于波的频率,由于波的传播速度很快,声速为每秒340米,无线电波和光的速度达到了每秒30万公里,波的频率要以每秒能接收到多少个波来计算,单位为赫兹。不同种类的波频率也不同,例如人耳能听到的声音频率范围为20——20000赫兹,也就是说,人耳每秒能接收到20——20000个声波,频率小于20赫兹的为次声波,大于20000赫兹的为超声波;不同颜色的光频率也不同,红光频率约为四百万亿赫兹,紫光频率约为七百万亿赫兹。
    那么,波的振幅和频率是由谁决定的呢?答案是产生波的波源。波源的振动情况不同,产生的波的振幅和频率就会不同。就拿声波来说,人通过控制声带的振动情况,会发出频率和振幅不同的声波,产生各种美妙的声音。各种乐器能够演奏出音乐,也是这一原理。
    人们利用波的这一特性在信息的传播上发挥了巨大的作用。发射和利用光缆传送的频率和振幅不同的无线电波和光波,可以代表不同的语言文字、声音和图象信息,对方接受到电波后,将它们还原为相应的信息,这使远距离通信成为可能。电报、广播、电视以至于互联网的先后发明和使用,使人们告别了烽火狼烟,飞鸽传书,迈进了一个新时代。
    波在传播过程中遇到障碍物后,可能会打道回府,沿原路返回,这叫作波的反射;也可能绕过障碍物,继续向前传播,这叫作波的衍射。一般而言,无线电波容易发生衍射,不易反射,能够轻松地绕过一些障碍物,因此它能够飘洋过海地远程传送信息。而超声波、X射线、可见光等正相反,容易发生反射,难以发生衍射,但人类可以使它们物尽其用。例如远洋船舶上的超声波探测仪,不断地向海中发射超声波,超声波一遇到暗礁、浅滩、鱼群、潜艇等障碍物后立即沿原路返回,被接收器接收到,据此人们可以清楚地了解海底的情况。在陆地上的雷达,发出易于反射的电波,可以达到同样目的。
    超声波和X射线与日常生活联系最大的应用是在医疗诊断上。超声波和X射线照射到人体上,在不同的部位反射程度不同,例如穿过肌肉比较容易,遇到骨骼则会被反射回去;通过正常的和病变的部位,反射程度也不同,医生通过观看形成的照片和图象,能够了解人体内部的情况。X光机、B超机、CT机等仪器都根据这一原理制成。超声波和X射线不仅能检查人体,还可以探测机器设备内部是否出了毛病,芝麻绿豆大的问题也逃不过它们的火眼真睛。
    波的另一个特性是能发生干涉。两列波遇到一起,会叠加起来,同方向叠加,波会变的更强,反方向叠加,波会减弱。光的干涉的应用比较广泛。比如照相机的镜头前有一层增透膜,它可以使经透镜前后表面反射的光线发生干涉,减弱反射光,使进入照相机镜头的光线更强。再如工厂里通过向玻璃板上照射特殊的光,通过观察反射光干涉的情况,可以判断出玻璃板上哪些部位是凹凸不平的。
    波在传播过程中也传递了能量,如果频率适当,还可以使一些物体剧烈振动起来,称为共振。微波炉就是一个例子。微波炉产生的微波会使构成事物的分子振动起来,相互摩擦、碰撞,产生很多热量,使食物变熟。超声波在这一方面也有一席之地。一些精密仪器用普通方法很难清洗,如果将它们放到清洗液中,施加超声波,使清洗液的分子振动起来,仪器上的灰尘会很容易地被冲刷掉。高频率的超声波具有很大的能量,在医学上可以粉碎结石,切除一些肿瘤;在工业上可以切割一些材料。
    除了以上这些共同特点外,不同种类的波还有各自的特点。譬如,紫外线可以杀菌,红外线是热量的指示标,次声波可以用来探测地震、海啸等,它们在生产生活中也都有重要作用。
    人们对各种波的研究和利用,对很多领域都产生了巨大影响,给我们生活带来很多方便,使我们生活变得多姿多彩。但这只是浩瀚的科学海洋的冰山一角,只是广袤的物理学大陆的一片土地,科技在生活中的重要地位可见一斑。在未来,科技必将使我们的衣、食、住、行、用等各个方面变得更加美好。

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