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振动现象的利用及声音的本质

作者:主编 时间:2022年12月31日 阅读:110 评论:0

“坎坎伐檀兮,置之河之干兮,河水清且涟漪……坎坎伐轮兮,置之河之漘兮,河水清且沦漪……”水面上的波纹呈连环状,圈子渐渐地扩大到很远,这便是西周文学作品《诗经》中描写的水波现象。波动现象也是最普遍的物理现象之一,中国古人很早就在生产、战争等实践中认识甚至应用了振动现象。例如共鸣现象就被广泛应用在战争、生产和艺术等领域。

战国时期,墨家最早把共鸣现象用于战争。《墨经》中记述的具体方法是:守军在城内挖井,沿城墙每隔5步挖一口,高地要挖3米深,低地要挖到地下水位之下3尺。让陶工烧制坛子,每个容积在40斗以上,坛口蒙上皮革,放在井中。让听觉灵敏的人伏在坛口谛听,就可以根据各个坛子中声音响度的差别,判断出敌军挖坑道的方位。这种方法的声学原理与今天医生用的听诊器原理差不多,敌军挖坑道的声音,汇集到坛子中,坛中的空气柱因此产生共鸣而放大挖掘的声音,再引起坛口皮革的振动,就可让人听到了。《墨经》之所以强调要尽量将坛子埋在水位之下,是因为湿土对声音的传导性较好一些。这种侦察法后来有了更简单实用的形式,《梦溪笔谈》中记载 用牛皮制成的箭袋,夜间可作士兵的枕头,“附地枕之,数里内有人马声,则皆闻之”。明将戚继光也将共鸣应用于防备倭寇。古代对声音振动及共鸣的应用远不限于军事方面。东南沿海的渔民把去节的竹子插入海中,探听海中鱼群的活动; 在古代戏剧舞台的下面,人们经常埋上空瓮以取得共鸣效果; 音乐家为了练琴的效果更佳,就建一个小楼式的古琴室,上面有楼板,使声音得到反射,下面是空的,使琴声产生共鸣而更加响亮。明代方以智的《物理小识》介绍说,当时铸私钱的人为了防止他人发现,就将钱藏在地洞中,又将瓮堆放成墙状的屏障,瓮口全部向内,这样,声音就全部为瓮所吸收,外面即使有人走过,也听不到什么了。

回音壁

此座建于1530年的回音壁正是运用了声波振动、传播的原理,表明古人对声音已有精到的研究。

以上这些对振动现象的应用尽管巧妙,然而声音本身到底是什么呢?墨子等古代学者未能给出解释。到公元1世纪时,王充提出空气传声与水波本质上是一致的。他在《论衡》中说: 鱼可以搅起浪花,向百步以内的地方传播; 人的行为也可以激起空气的变化,其情形与鱼激起水波是一样的。后来明代宋应星也认为: 对空气的扰动可造成声音,箭在空气中就可发声,这和石头投入水中时,水面展开波纹的情形是一样的。声波的振动不像水波,前者是人的肉眼无法觉察的,后者是可以看见的,但中国古人通过类比和猜测,将两者统一起来,得出了声音也是波的结论。但正是由于声波不可见,古人不可能注意到声波的振动方向与传播方向在同一直线上,而水波的传播方向与振动方向则是互相垂直的。我们当然不能因此苛责王充等人,类比方法的优点与缺点总是并存的。

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文章来源:主编

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