物理天地 研究土电话
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你可能早就玩过“土电话”了:用粗棉线(俗称“小线”)栓上两个纸盒,一人对着纸盒讲话,另一人把纸盒贴在耳朵上。就听到了声音。
声波怎样在绷紧了的棉线里传播呢?我们不妨改进一下“土电话”的实验,研究一下那根棉线上的声波。
找一段小线,在线中间拴上一面小镜子,线的一端拴在椅子背框上(或者由一位同学拉住),线的另一端穿在一个较大的纸盒子上。拿住纸盒子,把线绷紧,让阳光照到镜子上,镜子的反射光线映到墙上。线绷紧之后,镜子稳定下来了,它反射出来的光斑也就不再晃动了。敲一下纸盒,纸盒发出了声响,与此同时你会看到,镜子反射出的光斑晃动了,它上下左右地摇晃着。
这个实验说明,声波在小线里传播时,出现了比较复杂的情况:拴着镜子的那一点既有上下振动(与声的传播方向垂直),又有前后振动(与声波的传播方向一致)。
我们再看一看长纸板传声的情况。
找一块长纸板(或长些的木板),在纸板上放几小块纸屑或瓜子皮。敲纸板的一端,另一端听到了声音。同时观察小纸屑或瓜子皮,它们上下前后胡乱地移动着位量。
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这个实验说明,固体表面传播声波时,也出现了复杂的情况。
1885年著名的英国物理学家瑞利在理论上指出,声波在固体表面传播时,会出现一种奇妙的表面声波。表面声波是在固体表面(即两种介质的交界面)上传播的声波,它既不同于横波也不同于纵波,而是两者的合成。1900年英国地震学家根据地震仪获得的记录,证实地震时地表面确实存在这种奇异的波,并且把它命名为瑞利波。表面声波有许多种,瑞利波只是表面声波的一种模式。
表面声波并不神秘,你把石头扔到水里,在听到声响的同时会看到水面上荡漾起一个接一个的波纹,那就是在水面上传播的一种表面声波。那水面就是两种介质(水和空气)的交界面。
尽管人类对声波的研究已经有几百年的历史,表面声波技术却是最近二十几年才兴起的。1965年美国科学家怀特发明了一种仪器叫“叉指换能器”,这种仪器可以使电信号产生表面声波,也能使表面声波产生电信号。从此,表面声波技术就在电视广播、通讯、雷达、电子计算机等各项技术中大显身手了。
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