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&esp;&esp;第10节波
&esp;&esp;平静的水面,落下一颗石子,就看见一圈一圈的水面起伏,以石子落水处为圆心,慢慢向外蔓延。随着时间流逝,起伏最终消失,水面恢复平静。这种扰动(石子、雨滴等引起的水面起伏)以一定速度向远处传播(蔓延),称这种传播着的扰动为波。
&esp;&esp;通常将波的概念限制在自然世界中。在社会变化中,也有类似的情况,称呼的概念换成浪潮,趋势等等。比如谣言产生后,开始传播,四处都流传着,范围越来越广。这是虚假信息的传播。从流行歌曲、网络名词到时尚,都符合波动定义。文明的交流,通过商业贸易,也是波。
&esp;&esp;回到物理世界,石子造成的扰动,是石子势能转换成水的动能。而波在传播中,抵达的水都开始扰动,意味着动能也在传播。随着波越传越远,接收动能的水越来越多。按照能量守恒,那么所有收到动能的水的动能总量不变,那么每部分水的动能越来越小。最后动能全部转为热量,水面恢复平静。换而言之,波传播过程同时也是能量传播过程。
&esp;&esp;对于物质运动状态变化类型的扰动传播,我们称为机械波。如果是人的思维模式变化类型的传播,可称为心灵风暴波。如果是人有组织行为类型的传播,可称为社会运动波。机械波的出现,意味着:1扰动源存在,也就是有能量供应源。2存在接收扰动的对象,称为介质。这两种存在,对其他类型的波也是适用的。对于石子形成的波,扰动源就是石子,介质是水。宗教的传播,扰动源就是教义,介质是人。
&esp;&esp;观察:
&esp;&esp;1艺术体操运动中,运动员舞动着长带,长带在空中上下卷动,却不落地,正是波的传播,使得带子始终处于状态剧烈变化中,而无法落地。
&esp;&esp;2世界各地经常出现地震。报道中会给出震中位置,地震强度级别。震中就是扰动源的位置,级别就是地震能量的强度。地震波在传播中,能量随之而来,改变建筑物品的状态。如果能量太大,建筑等承受不住而损坏。损坏程度称为烈度。随着传播距离的增加,总能量逐渐损耗,加之能量分担对象越来越多,危害逐渐减小。
&esp;&esp;3宗教的传播过程中,改变的是人的观点、立场、思考方式等。和机械波不同的是不存在能量的衰减问题。事实上,随着宗教的传播,信徒越来越多,宗教的势力不断增加。
&esp;&esp;4在水面不同位置,投放两个或多个石子,发现各自都形成波,相互之间影响可叠加或抵消,但都在传播。不同的宗教或文化,在传播中无法像机械波一样相互叠加或抵消,因为正常人无法同时以相左的立场、观点来思考世界。更多的时候是相互争夺信众,就如同销售市场的争夺一样。当然作为趋利避害的生物本能,采用老张的哲学也是有可能的。
&esp;&esp;5人是社会性动物,从众心理是本能的自我保护意识。所以使得谣言、恐慌性心理容易扩散,三人成虎正是这个意思。
&esp;&esp;波传播中,扰动使得传播路径上的物体状态改变,但这种改变不是永久性的。当能量耗散后,物体恢复原始位置。那么物体状态的变动就是在原始位置附近振动。振动导致物体处于某个范围,当范围和传播路径重合时,说明物体的振动是沿着传播方向进行来回进行的,这种类型称为纵波。如果振动的方向和传播方向垂直,则称为横波。通常的波经常是部分纵波和部分横波的混合。
&esp;&esp;观察水面上的落叶,当有波传播经过时,落叶在水面上下起伏,并不移动,说明在水面的波是横波。地震来临时,如果感到人左右摇晃,说明地震波是纵波,如果是上下起伏,说明是横波。
&esp;&esp;波传播途中,能量使得路径中的物体改变状态,物体有惯性,改变状态不可能是瞬间就完成,因此扰动的传播是有速度的。比如水波,我们观察水纹的最高点,称为波峰(对应水纹低于水面的最低点称为波谷)。在波传播中,扰动不断地制作出波峰,新的波峰相比以前的虽然高度慢慢下降,但始终是附近小区域最高的位置。最新的波峰和原始位置之间的距离不断加大,波的传播速度就定义为这个距离除以时间。相邻的两个波峰之间的距离,就定义为波长。一定时间内,水面上落叶起伏的次数,称为频率,单位是以德国人赫兹命名,英文hz表示。落叶每起伏一次,意味着波向前传播了一个波长的距离。那么可得出:速度=波长频率。
&esp;&esp;在水面波传播时,如果水面有障碍存在,比如巨大的石块,则波抵达石块后反身往回传播,这个称为波的反射。如果石块较小,发现石块背后也产生波纹,称之为波的衍射,或称为绕射。这里提到石头尺寸的大和小,标准是按照什么定?在描述波的属性中,只有波长是长度的单位。因此大和小的标准就是波长。比波长大很多的就是巨大,比波长小的就是小。
&esp;&esp;思考:
&esp;&esp;1波的传播速度由什么决定呢?扰动在改变传播路径上物体状态时,如果状态改变快,则波传播的快。惯性大小是物体维持原状态能力的量度,因此惯性越大则状态改变越慢。在讨论连续物体时,我们使用单位体积内的物质惯性来衡量,那么这就是密度。因此波传播路径上物质的密度越大,波速越小。不同的物质弹性不同,弹性越大,物体维持完整性的能力越大,则物体受相邻部位的形变影响越大。比如泥土,基本没有弹性,某处受力后泥沙飞溅,其他部分的泥土没有动静。比如铁棒,弹性很强,某处受力后,铁棒整体翻滚。因此弹性系数越大,波速越大。
&esp;&esp;2波的频率是由什么决定的?波的起源是扰动源,介质目的是传递扰动,可以对传播速度、能量传递效率起作用。所以影响频率的因素只能是扰动源。扰动源的扰动频率决定了波的频率。
&esp;&esp;3不同物质的密度弹性不同,波速不同。在波传播路径上存在不同物质分布,我们可以在不同位置测量波到达的时间,来反向推理不同物质的分布情况。在地质勘查中,通常是人工制造一场地震,使用大量炸药引爆来产生。在选好的不同位置上来接收地震波。人工地震产生后,波四处传播,一部分波直接抵达测量点,另外一部分向地球内部传播,碰到不同类型的岩石后又重新、四处传播。测量这些从地球内部传播出来的波,依据测量点地震波的抵达时间以及强度,可以推理出内部的岩石成份和构造。石油天然气勘查就是使用这种原理进行。
&esp;&esp;4当已知扰动源位置、强度后,在不同位置测量地震波,可以有效推理出地球构造。克罗地亚的莫霍洛维奇于1909年采用地震波探测到地壳和地幔之间的界面。1914年德国的古登堡发现地幔和地核之间的分界面。当地球内部构成比较清晰后,不同位置的测量点测量到地震波抵达,就可以推理出扰动源的位置和扰动强度。冷战时期,原子武器研发竞争很激烈,采用这样的方法,即便不派遣间谍,也可以获知核爆炸的位置和威力。
&esp;&esp;5深海中没有光线,视力无效。鲸鱼就通过制造机械波来通信。即便在浅海,光线传播距离很有限,海豚等哺乳类动物采用机械波来通信。在河流中,江豚类也同样如此。现代大量船舶行驶,螺旋桨制造很大的机械波干扰,导致这些动物通信失败或错误。
&esp;&esp;6正常情况下,波传播中,物质不改变自身位置。如果能量非常大,则位置甚至物质本身都会发生改变。这时波不仅是扰动传播,而且是破坏性传播。人类利用这点制造了武器。大自然的武器就是大地震,地震波中的纵波作用时,人和房屋左右抖动,房屋通常是上下结构承受力强,而侧向承受力弱。这种情况下房屋很容易倒塌。当地震波抵达时,如果烟囱的高度刚好是地震纵波波长的一半,则很容易半腰折断,为什么?
&esp;&esp;7登山时,遇到很宽广的山峰侧壁,可以大吼听回音(雪山严禁,可能引起雪崩。汉尼拔远征,在阿尔卑斯山损失大量步兵和战象)。建筑的墙壁和回廊也有类似效果。在特定的建筑里,可以听到远处人的说话,俗称回音壁(中国古代寺庙大量存在。奥匈帝国女王特雷西亚的宫殿里,存在这样的窃听结构)。足球比赛时,节目录制组也有类似的接收远处声音的装置,很像卫星天线的锅盖。
&esp;&esp;空气密度很低,分子稀疏,间距很大。但也可以传播机械波。通常我们称空气中的机械波为声波,以我们的机械波接收器耳朵为基准。但固体、液体中的也都可以称为声波。可以通过一些设备,接收液体和固体中的机械波,并转入空气中,让我们的接收器可以工作。
&esp;&esp;波传播路径中,物体的振动逐渐减弱。减弱有两种方式:1自然减弱,比如水表面波的传播,随着距离增加,波的起伏变低。因为能量越来越分散。2损耗,在传播中,很多物质弹性较差,传递扰动的能力很低,能量多数都转换为热量。
&esp;&esp;多个扰动源产生的波,在传播途中相遇,则每个波都发挥各自的扰动能力。如果扰动刚好同方向,则扰动总和累加,导致此处物体振动大幅度增加。如果扰动刚好反方向,则扰动总和抵消,此处物体振动幅度减小。这种现象称为波的干涉。
&esp;&esp;思考:
&esp;&esp;1二次世界大战中,大西洋中的潜水艇作用巨大。水面舰船探测潜水艇就需要使用声纳。声纳就是大喇叭,在水里面发射声音。声波碰到潜水艇就反射回去,接收装置检测回波,判断是否存在大型移动对象。潜水艇通常是被动接受声音,一般是发动机噪声或螺旋桨噪声,根据声音的特征来判断是否为攻击目标。上世纪八十年代初发生东芝事件,就是潜水艇螺旋桨噪声引发的。
&esp;&esp;2石子丢入水中,表面形成波是和在水中传播的声波不同,扰动源发起后,水被排开,由于水不可压缩,所以水被挤的高出水面,形成波峰。对于某个水柱,当水柱升高时,水柱变窄,水柱下降时,水柱变宽。当水表面浪的高度上升时,势能增加,则下降后的动能也增加,对前进方向水的冲击力增加,也就意味着表面波的速度增加。也就是说表面波的速度由水波纹的高度决定。当水的深度远大于波长时,水面升高变成波峰,体积增加,所增加的水是由波谷部分补充过来的。此时水不仅是上下运动,还存在传播方向上的前后运动。此时水面某点的整体运动就在传播方向上做圆周运动。当此点在圆周的顶点时,水面处于波峰状态,当此点在圆周底点时,水面处于波谷状态。此时波速取决于波长或圆周运动的速度,波长越长,圆周运动越慢,波速越快。当水较深时,表面波对深水完全没有影响。在水下拍摄的记录影视中可以看到,海面巨浪滔天,水下波澜不惊。
&esp;&esp;3而声音在空气或水中传播时,都是纵波,没有横波。横波仅在固体中存在,固体的结构紧密,横向的振动因材料的连续性得以持续。纵波在流体中传播时,流体的压强在某个值附近变动,相当于这些流体在压缩和膨胀状态之间来回变动。这种状态只能在压缩或膨胀的方向上延续,所以流体中横波无法存在。同样频率的声波,在空气、水、固体中速度不同,因为这些物质压缩弹性不同。同时因流体的特点,压强、温度不同,波速也不同。当中流体中声明波速时,都必须说明对应的压强和温度。海平面0c时,空气音速是331s。水中的音速大约是空气中的43倍。钢铁中的音速大约是空气中的15倍。
&esp;&esp;4现代城市的污染很多,房屋修建和装修时就要考虑噪声污染的消除。1吸收:噪声源在室内,无法直接消除噪声源时,室内墙壁的涂料就可以选用声波转换热量效率高的材料,起到吸音效果,这样噪声中室内很快就衰减下去。如果是音乐厅,需要回音效果时,部分墙壁的涂料就要必须是声音反射率高,不能吸收声音。2隔离:噪声源在室外时,采用双层玻璃窗户,声音经过透过双层玻璃的能量很少,隔音效果好。当然一层玻璃效果也很明显,只要窗户的密闭性好。3降低源强度:直接对噪声源进行处理,降低噪声源(扰动源)的能量强度,降低其功率,典型的应用就是摩托车消音排气管、消声武器。发动机的高压热气直接进入大气,在气管的出口,能量瞬间释放,功率很大,造成很大的噪声。摩托车消音管是较原发动机排气管粗的气管,发动机高压热气进入后,空间突然变大,此刻产生的声音约束在消音管内,被消音管内其他结构吸收降低。进入消音管的高压热气此时压力降低,温度降低,离开消音管进入大气时,能量已经比较低,产生的噪声就小多了。手枪可以加装消音、器,消音原理类似,就是让枪膛高压气体相对缓慢的速度膨胀,降低枪声。由于子弹的速度非常快,实际消音、器并不能完全消除声音,除非是非常小口径的子弹。其最大作用是降低开枪者的耳朵负担,在消除枪口火焰方面也非常有效。(按照能量的角度描述,就是体积突然膨胀,导致势能增加,能量守恒,所以动能降低=分子运动速度降低=温度降低。这种方法同时也是制造超低温的方法。让低温气体突然膨胀,导致温度进一步降低,反复进行这一过程。)
&esp;&esp;5二次世界大战末期,德国潜水艇有了新的装备,使得这些潜水艇从没有被盟军探测到。这种装备是橡胶板,装配在潜水艇外壳上,板上有按照特定间隔排列的小孔阵列。声音(声纳发射产生)抵达潜水艇表面后,这些阵列使得反射声音相互之间抵消,极大地降低了反射声音,使得探测器无法得到回音,避免被发现。室内装修材料板,也可以采用这种方式降低声音在室内的来回反射,消除噪声。观察电影院的墙壁,是否存在这样布满小孔的板材?
&esp;&esp;6以上介绍的是声音消除的被动方法。声音还可以主动抵消。使用麦克风接收声音,转换为电信号,对其进行处理,再转换为声音,此时的声音和原始声音刚刚好完全错位,振动相互基本抵消。这样就实现主动对消。应用于婴儿看护。在婴儿头部放置一副很大的耳机,离婴儿耳朵有一定距离,里面放出处理后的声音,和外界噪声对消。
&esp;&esp;7当多个扰动源存在时,如果扰动源的频率相同,则产生的波频率相同,这些波在干涉时,很可能在某处出现多数波累加的情况,造成某点扰动能量非常大。军队过桥时,如果按照口令有节奏地齐步行走,很容易产生累加效果,当累加点位于桥的薄弱点时,可能会对桥产生破坏。所以过桥时都要便步走,令各个扰动源的频率不同。
&esp;&esp;8人耳可以听到各种声音,但无法听到全部声音。(20-20k)hz是人耳可以听到的频率范围。低于20hz的声音,称为次声波。高于20khz的称为超声波。那些使用主动声纳的生物,比如海豚和蝙蝠,其耳朵可以听到100khz的声音。另外人的耳膜和外耳道是垂直的,这也说明声音是纵波。假设是横波的话,无法耳膜产生振动!
&esp;&esp;9超过20khz的声音,对人耳无影响。效果对人而言就是安静。因此广泛使用。眼镜店里面有洗眼镜的机器,将眼镜置于水中,使用超声波清洗。这种高频率的液体震荡,可有效清理表面附着的各种杂物。牙齿清洁,也可使用超声波。体外碎石(胆结石),同样使用超声波。但最普及的则是b超,超声波进入人体,因不同组织的弹性不同,反射回的超声波在不同位置压强不同,反向演算后就可以得到人体弹性分布图,就是人体内部器官分布情况。超声的波长短,机械波衰减是以波长为单位比例进行衰减的,所以衰减快。扩散也是按照波长的比例进行,所以方向性好,容易形成声音束。蝙蝠和海豚,都使用超声波作为雷达探测信号,定位准确。大功率的超声波还是武器,可以击晕猎物。
&esp;&esp;10低于20hz的声音,波长很长,衰减很慢,很容易衍射,所以没有什么可以阻挡次声波。次声波的振动对人体内脏有强烈的破坏作用,因此可制造次声波武器,但难以控制方向。
&esp;&esp;11人的发音依靠声带。发出的波长和声带的长度相关。人的发音是多种频率声音的混合,其中含量最高的可以称为基音。其他频率的含量比例不同,听起来的效果不同。男子声带长,所以基音波长较长,频率低,女子声带短,基音频率高。我们说某人唱歌音色好,就是声音中不同频率含量的比例适合我们欣赏的口味。说某人音域宽广,就是声带经过控制,可以发出不同基音的声音,而且基音的频率相差较大。唱歌时,声音可以在腹腔、胸腔、口腔、颅腔进行回音,增加声音的延续和音量,改善音色。技巧的好坏,或者是天赋的好坏,就体现在实现回音的难易程度上。唱歌就像说话一样轻松,天赋好。需要提气叉腰,天赋差。现代歌曲伴奏多,去掉这些伴奏,听歌手清唱,就知道唱的真正效果。
&esp;&esp;12脊椎动物感受声音的器官和人类似,并且有外耳廓对声音进行收集,增强听觉效果。耳廓的因生存环境的变化而变化,可能变大(蝙蝠)、变小(北极熊)甚至消失(鲸鱼)。昆虫身体的膜也起收集空气振动的效果,用来感知异性、猎物或捕猎者。被动接收声波的动物,都是为了确定振动源。当振动源位于特定环境时,触角、身体的毛发,都可以精确定位振动来源,这些都可认为是耳朵。比如蜘蛛网上的振动源通常就是猎物,蜘蛛使用腿部即可感受。通常人是视觉、听觉、嗅觉共同使用一样,动物的耳朵也仅是探知外界工具的一部分。不同动物的探测侧重点不同。
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