科學家在研究各種波的時候,常常使用一種叫示波器的儀器。通過示波器,人們可以在光屏上看到聲波、電波以及其他各種波的圖形。
讓我們造個土“示波器”,用它來觀察聲波。
找一只空鐵皮罐頭盒,去掉蓋和底,用一小截鐵煙囪也行。再找一個破氣球,把氣球皮剪開,蓋到鐵筒的一頭,用小線或皮筋把氣球皮繃緊扎牢。再找一小塊鏡片(約3~9平方厘米),沒有鏡片找一小塊玻璃也可以。把小鏡片粘在繃緊了的氣球膜上,使小鏡子的位置在鐵筒口的一側(不要在正中心)。這就是一個土“示波器”。
在有陽光的情況下,你拿著土“示波器”站到窗口,讓陽光斜射在那塊小鏡子上,看!小鏡片反射出的陽光在墻上映出了一塊光斑。那就是土“示波器”的光屏。當你對著土“示波器”的筒口高聲喊叫的時候,光屏上出現了波影!
顯然,這是由于你喊出來的聲波使土“示波器”的膜發生振動的結果。為了進一步研究波的性質,你不妨找一根繩子再做個實驗。
把一根繩子的一頭固定在墻上,用手拿著另一頭,把繩子拉成水平。好,你的手上下振動吧,看!繩子上出現了一個凸起又凹下的狀態,并且向前傳播開來。這個一會凸起一會凹下的狀態,就是一種波。
向平靜的水面投上一塊石頭,就能激起一圈圈的水波,水波漣漪向外傳播。水面上漂浮的樹葉隨著水波的到來忽上忽下,卻不會漂走。如果你在抖繩子時,在繩子上穿上一個小紙片,你會發現,那紙片雖然跟著波上下振動,卻不會隨波游動,移到墻頭。這說明,機械波傳播的是振動和振動的能量,而不是物質本身。
振動在它周圍物體中的傳播就叫波。
那么,空氣中的聲波是怎樣傳播的呢?我們不妨找一根軟些的彈簧再做個實驗。
把彈簧的一端固定在墻上,用一只手提起另一端,輕輕一推,看!彈簧圈一疏一密地向墻壁運動了。
仔細看一看彈簧上的波動,你就會發現,它和繩子上的波動大不相同:彈簧上的每個點(我們叫它質點)振動的方向和波的傳播方向是相同的;繩子上的每個點振動的方向卻和波的傳播方向相垂直。我們把質點的振動方向與波的傳播方向相同的波叫縱波,質點的振動方向與波的傳播方向相垂直的波叫橫波。
我們再仔細分析一下土“示波器”的實驗:聲波從鐵筒的口傳進去,由筒里的空氣傳到皮膜,引起皮膜振動,皮膜振動的方向和波的傳播方向是一致的,因此,空氣中的聲波是縱波。
在抖繩子的實驗中,你會看到兩個相鄰的凸起之間有一個凹下去的部分,那凸起的部分叫波峰,那凹下去的部分叫波谷。兩個相鄰波峰中點之間(或兩個相鄰波谷中點之間)的距離,就叫一個聲波分析波長。你會發現,如果你抖動得均勻,那波長是一定的。
縱波的波長是指兩個相鄰密部中心之間(或者兩個相鄰疏部中心之間)的距離。
波傳播的速度叫波速,波速(v)、波長(λ)和頻率(f)的關系是:
波速=頻率×波長,即v=fλ。
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