讓微小的振動和形變無處藏身

華慶富

摸著你的喉嚨，男生摸到微微凸起的喉結(jié)就對了，女生可以模仿男生按著自己頸部相應的位置，然后隨便說一句話，你有什么感覺?手指不斷地振顫?這就對啦。不過，這種振顫不是來自你的手指，而是來自你喉嚨中聲帶的振動。

聲音是由物體的振動產(chǎn)生的，力的作用效果之一是使物體發(fā)生形變，彈性形變中產(chǎn)生的力叫做彈力。在這三個知識點的具體教與學中存在著這樣的問題：許多物體的振動幅度是非常微小的，我們?nèi)庋蹘缀蹩床灰?，這對于理解聲音的產(chǎn)生條件就造成了障礙；有的物體在力的作用下發(fā)生的形變(包括彈性形變)也非常微小，微小到我們的肉眼也看不到，這同樣對于力的作用效果以及彈力的理解造成了障礙。

對于振動顯示問題，書本上所列舉的例子都是顯著的振動或者借助小紙屑等輕小物體的振動來顯示。然而對于堅硬的木塊、金屬等的微小振動而言，這樣的方法是無法產(chǎn)生明顯效果的；對于形變(包括彈性形變)問題，書本上用拉伸壓縮彈簧、擠壓氣球等形變顯著的例子來講解，但是沒有提供顯示堅硬的木塊、金屬等微小形變的方法。如果我們對書本實驗加以改進，就可以將微小振動、微小形變明顯地顯示出來。

1.微小振動顯示儀

如圖1所示，在兩根線的中間栓上一個小的平面鏡，線的一端栓在椅子的靠背上(或者另一同學的拉著)，在線的另一端穿著一個較大的紙盒子，將線繃緊，等鏡子穩(wěn)定下來后，用一束光線照射到鏡子上(可以是手電筒光，也可以使透過窗子照進房間的太陽光)，此時鏡子反射到墻上的光斑就不再晃動。只要實驗的人對著紙盒喊一聲，此時觀察墻上的光斑，你就會發(fā)現(xiàn)，墻上剛才還靜止不動的光斑現(xiàn)在明顯地抖動起來。

原來，人對著大紙盒的喊聲引起的振動，通過固體紙盒、線傳播開去，也引起線的振動，這樣的振動又導致線上的小平面鏡按照同樣的頻率振動，最后導致入射角不斷的改變，于是經(jīng)反射光線在墻上的放大，形成的光斑的大幅度抖動起來，這就直觀地證明了聲音是由于振動產(chǎn)生的，并且還證明了固體能夠傳播聲音。

2.微小形變顯示儀

如圖2所示，將一個打點滴用的透明玻璃瓶裝滿清水，在橡膠塞上用熱鐵絲鉆一個細細的洞，在一根細而硬的塑料吸管里吸入半管紅水，用手指堵住吸管的上口慢慢插入橡膠塞，當吸管的下口浸沒在瓶中的清水中時就可以了。要注意預先在橡膠塞上鉆出的洞大小要合適，以確保吸管與橡膠塞之間不漏水。

將瓶子放在桌上，我們可以看到吸管里有高出瓶塞的一段細細的紅水。如果用力擠壓瓶子的兩側(cè)，就能看到吸管中的紅水柱慢慢上升；松手后，吸管里的紅水柱又回到原來的位置，而整個過程中并沒有紅水注入或者流出吸管。這是因為擠壓瓶子時，瓶子發(fā)生形變向中間凹進去，但是這個形變很小，我們?nèi)庋凼强床怀鰜淼?。不過被擠走的水是藏不住的，它沿著吸管上升，我們看到的就是吸管中的紅水柱上升；松手后，瓶子恢復原狀，被擠走的水又回到原來的空間，所以吸管中的紅水柱也就回到了原來的位置。

3.微小振動與微小形變綜合顯示儀

如圖3所示，用一根木條和兩個小木塊做成一個長凳形的木架，在木條中心的一側(cè)位置上，用雙面膠固定一塊小平面鏡，然后讓太陽光透過窗戶照射到小平面鏡上，將反射光照在墻壁上。用一根小木棒敲擊木架中間，可以看到墻上的反射光斑不斷地振動。這是因為被敲擊的木條的振動，引起了平面鏡的振動導致的；用力按壓木條中間，可以看到墻上光斑的位置移動了，這是因為木條的形變導致的。這樣，由于放大的作用，我們看到了物體的微小振動和微小形變。

這個小制作應用了轉(zhuǎn)化法和放大法，將木條的微小振動轉(zhuǎn)化為光斑的振動，并且加以放大；將木條的微小形變轉(zhuǎn)化為光斑的位置移動，并且加以放大。在放大過程中涉及到數(shù)學中的平面幾何知識。該制作的創(chuàng)新點有兩個：一是利用身邊隨手可得的生活用品，輕松地解決了課本中沒有解決或者沒有完全解決的問題，為我們的深入學習提供了幫助。二是將書本不同實驗進行有效的整合。該小制作實際上是書本中小紙屑顯示鼓面振動實驗和平面鏡對光線的作用實驗的整合與改進。