物理与生活.doc

校 本 课 程 教 材 物理与生活 新城初级中学物理组 序言物理是一门历史悠久的自然学科，物理科学作为自然科学的重要分支，不仅对物质文明的进步和人类对自然界认识的深化起了重要的推动作用，而且对人类的思维发展也产生了不可或缺的影响。从亚里士多德时代的自然哲学，到牛顿时代的经典力学，直至现代物理中的相对论和量子力学等，都是物理学家科学素质、科学精神以及科学思维的有形体现。随着科技的发展，社会的进步，物理已渗入到人类生活的各个领域。谈到物理学，有些同学觉得很难；谈到物理探究，有同学觉得深不可测；谈到物理学家，有同学更是感到他们都不是凡人。诚然，成为物理学家的人的确屈指可数，但只要勤于观察，善于思考，勇于实践，敢于创新，从生活走向物理，你就会发现：其实，物理就在身边。正如马克思说的：“科学就是实验的科学，科学就在于用理性的方法去整理感性材料”。物理不但是我们的一门学科，更重要的，它还是一门科学。身边的事物是取之不尽的，对与现实生活联系很紧密的物理学科来说，更是时时会用到的，例如勤于观察的意大利物理学家伽利略，在比萨大教堂做礼拜时，悬挂在教堂半空中的铜吊灯的摆动引起了他极大的兴趣，后来反复观察，反复研究，发明了摆的等时性；勇于实践的美国物理学家富兰克林，为认清“天神发怒”的本质，在一个电闪雷鸣、风雨交加的日子，冒着生命危险，利用司空见惯的风筝将“上帝之火”请下凡，由此发明了避雷针；敢于创新的英国科学家亨利阿察尔去邮局办事。当时身旁有位外地人拿出一大版新邮票，准备裁下一枚贴在信封上，苦于没有小刀。找阿察尔借，阿察尔也没有。这位外地人灵机一动，取下西服领带上的别针，在邮票的四周整整齐齐地刺了一圈小孔，然后，很利落地撕下邮票。外地人走了，却给阿察尔留下了一串深深的思考，并由此发明了邮票打孔机，有齿纹的邮票也随之诞生了；古希腊阿基米德发现阿基米德原理；德国物理学家伦琴发现x射线；研究身边的琐事并有大成就的物理学家的事例不胜枚举。只要时时留意，经常总结，也许我们也可成为物理学家。而且如果我们用身边的事例去解释和总结物理规律，就会发现物理离我们很近。今天，人类所有的令人惊叹不已的科学技术成就，如克隆羊、因特网、核电站、航空技术等，无不是建立在早年的科学家们对身边琐事进行观察并研究的基础上的。在学习中，我们要树立科学意识，大处着眼，小处着手，经历观察、思考、实践、创新等活动，逐步掌握科学的学习方法，训练科学的思维方式，不久你就会拥有科学家的头脑，为自己今后惊叹不已的发展，为今后美好的生活打下扎实的基础。 新城初中物理组本书编委 贺会玲 朱文瑞 白文来 秦小奎 韩生辉 杨小刚 刘 东 张来龙 惠贵清 闫磊东目 录第一章 生活中的声现象- 5 -第一节 声音的产生、传播及分类- 5 -第二节 音乐中的物理知识- 11 -第三节 厨房中奇妙的声现象- 14 -第二章 生活中的光学- 19 -第一节 光的传播以及怎样才能看见物体-21 -第二节 身边的光的反射和折射现象- 23 -第三节 显微镜 望远镜- 27 -第四节汽车车窗及自行车尾灯的光学原理- 30 -第三章 生产生活中的热现象- 33 -第一节 形态各异的水- 33 -第二节 雷雨中的物理知识- 38 -第三节 热的传导、对流、辐射在生活中的应用- 40 -第四节 了解冰箱的构造- 42 -第四章生活中的力学现象- 44 -第一节静脉输液时的力学现象- 44 -第二节 过山车中的物理知识- 46 -第三节 自行车中的物理知识- 48 -第四节 江河大堤与水库大坝- 53 -第五节 汽车安全气囊系统组成及其工作原理- 55 -第五章 生活中的电学现象- 59 -第一节 电磁污染- 59 -第二节 太阳能发电- 61 -第三节家庭电路- 65 -第四节触电和触电后的急救- 72 -第五节 电热水壶水开自动断电的两种原理- 79 -第六章 磁现象- 80 -第一节 电饭锅工作原理及保养常识-80 -第二节 微波炉的工作原理- 83 -第三节 磁悬浮列车-89 -第一章 生活中的声现象生活是最好的老师，生活中处处皆学问，也许现代社会过于浮噪，被我们忽略的东西太多、太多让我们来重新审视一些生活中的声学现象。第一节 声音的产生、传播及分类声音的产生声音是由物体振动产生，正在发声的物体叫声源。声音以声波的形式传播。声音只是声波通过固体或液体、气体传播形成的运动。如音叉、琴弦及快速流动的柱状气体如汽笛、笛子和我们说话的声音。声音没有质量，也就是没有重量。声音特性响度：人主观上感觉声音的大小（俗称音量），由“振幅”（amplitude）和人离声源的距离决定，振幅越大响度越大，人和声源的距离越小，响度越大。（单位：分贝dB） 音调：声音的高低（高音、低音），由“频率”（frequency）决定，频率越高音调越高（频率单位：赫兹Hz），人耳听觉范围2020000Hz。 音色：又称音品，波形决定了声音的音色。声音因不同物体材料的特性而具有不同特性，音色本身是一种抽象的东西，但波形是把这个抽象直观的表现。音色不同，波形则不同。典型的音色波形有方波，锯齿波，正弦波，脉冲波等。不同的音色，通过波形，完全可以分辨的。音调，响度，音色是乐音的三个主要特征，人们就是根据他们来区分声音。声音的传播声音以声波的形式传播。声音只是声波通过固体或液体、气体介质传播形成的运动。声音须通过介质才能传输（传播）到我们的耳朵，这些介质能携载振动。声波不能在真空中传播。因此，在真空情况下不可能听到声音。声音在空气中的速度随温度的变化而变化，温度每上升/下降5，声音的速度上升/下降3m/s。 声音的传播速度随物质的坚韧性的增大而增加，物质的密度减小而减少.如：声音在冰的传播速度比声音在水的传播速度快.冰的坚韧性比水的坚韧性强，但是水的密度大于冰.常见情况的声音的速度：空气（15）：340m/s， 空气（25）：346m/s， 水（常温）：1500m/s, 海水（25）：1530m/s， 钢铁：5200m/s， 冰：3160m/s 软木：500m/s声音的类型： 听得见与听不见的声音：人在正常情况下能够听见20Hz到20000Hz的声音。人们把频率高于20000Hz的声音称为超声波，低于20Hz的称为次声波。超声波和次声波是听不见的声音 超声波（高于20000Hz）和正常声波（20Hz - 20000Hz）遇到障碍物后会向原传播方向的反方向传播，而部分次声波（低于20Hz）可以穿透障碍物，俄罗斯在北冰洋进行的核试验产生的次声波曾经环绕地球6圈。超低频率次声波比其他声波（10Hz以上的声波）更具对人的破坏力，一部分可引起人体血管破裂导致死亡，但是这类声波的产生条件极为苛刻，能让人遇上的几率很低。人的发声频率在100Hz（男低音）到10000Hz（女高音）范围内。蝙蝠就能够听见频率高达120000赫兹的超声波，它发出的声波频率也可达到120000赫兹。蝙蝠发出的声音，频率通常在45000赫兹到90000赫范围内。狗能够听见高达50000赫兹的超声波，猫能够听见高达60000赫兹以上的超声波，但是狗和猫发出的声音，都在几十到几千赫兹的范围内。科学漫步：1、声音灭火准备好一张硬纸、剪刀、胶水，我们来做一个声灭火器。其实它只不过是一个圆柱形的纸盒，这个纸盒的做法如下。 先从硬纸上剪下一张边长为20厘米的正方形，把它卷成一个直径约5厘米的圆筒，用胶水把纸筒的接合处粘牢，再从硬纸上剪下两个直径约6厘米的圆。在其中一个圆的中心处剪一个直径约1.5厘米的小圆洞，然后把两个圆粘到纸筒两端把纸筒的两端堵住，使它形成一个圆柱形的纸盒。这就是声灭火器。不过你一定要把粘合处粘牢，千万不要使接缝处漏气。 把一支点燃的蜡烛固定在桌子上。然后用你的左手握住圆纸盒，把它拿到离蜡烛60厘米左右的地方，并且使盒盖上的洞对准蜡烛的火焰。用你右手的食指不停地弹圆纸盒的盒底。圆纸盒发出了“扑扑”的声音。不一会儿，你就会发现蜡烛的火焰被熄灭了。 难道真的是声音把火给扑灭了吗？如果你还不相信，那你还可以多试几次，结果都是一样的。 因为你用力敲击盒底的时候，产生了声音，声音本身是一种波，而声波是有压力的。在这个压力的作用下，火焰便被“压”灭了。这就是声灭火器的道理。 2、声音震碎玻璃玻璃是混合物，其中有硅酸盐和大量的二氧化硅以及其他的杂质，所以不存在固有频率。但是对于石英玻璃，是有的，在20000*（1+8%）Hz之间。人的声带频率一般不高于2000Hz，因此很少能把玻璃振碎（共振），但是有些特殊的女高音，其声带频率可以达到和玻璃频率很相近的程度，从而振碎玻璃，但是这种情况比较少。 而且声音震碎玻璃要有前提，首先，人出的声音必须与玻璃的共振频率一致，而且，玻璃一定要存在这肉眼看不见的破裂和裂口，只有具备了这些所有的外部条件之后，再加上一点任自己的运气，用声音击碎玻璃是完全有可能的。 2005年“探索”频道MythBusters电视节目就探讨了这个问题，摇滚歌手兼歌唱教练杰米温德拉就用自己的声音击碎了一些玻璃器皿，他尝试过12只酒杯，后来无意中幸运地击碎一只，第一次证明了个人声音就能击碎玻璃的说法是正确的，他击碎玻璃的那一幕被拍成了电视。温德拉的击碎玻璃的咏叹调被纪录为105分贝，音量几乎和电钻钻起来差不多。 3、神奇的超声波 我们的耳朵只能分辨频率为二十至二万赫的声音，频率比人的听频范围高的声波就叫做超声波。不同的动物可听到的声波频率范围不尽相同。狗可以听到一些超声波，所以狗只训练员可以用超声波哨子呼唤狗儿。超声波对于蝙蝠更为重要，这种动物是靠超声波来看世界的！ 图一超声波扫描术常用于产前检查 蝙蝠先会发出一连串超声的尖叫声，声波遇到障碍物便会反射，就像我们向山谷拍手会听到回声一样。由于超声波的频率高，相对较少出现绕射现象，所以回声十分清晰。蝙蝠分析回声的方向和回传时间，便可以知道环境的精确图像。人们根据蝙蝠看事物的原理，发明了声纳探测器，用来测量水深。船只上的发射器先向海底发射超声波，再由另一些仪器接收和分析反射回来的讯息，从而得到整个海床的面貌。 医学的超声波扫描术可说是超声波最重要的应用。超声波扫描不涉及有害的辐射，远比 X-射线等检验工具安全，所以常用于产前检查 (图一)。医生会将一个发出高频超声波 (频率为1-5 兆赫) 的手提换能器，贴着母亲的肚皮进行扫描。图二多普勒超声波扫描术检查血液在心脏的流动速度声波到达各种身体组织的边界时会有不同程度的反射 (例如液体及软组织的边界、软组织及骨的边界)。接收器收到反射波，便可计算出反射的强度及反射面的距离，以分辨不同的身体组织，并得到胎儿的影像。接收器使用了压电的原理，把超声波所产生的压力转变成电子讯号，再输送到仪器分析。超声波扫描可以帮助医生量度胎儿的大小以确定产期，检查胎儿的性别、生长速度、头的位置是否正常向下、胎盘的位置是否正常、阳水是否足够，与及监察抽阳水的过程，以保障胎儿的安全等。此外，超声波扫描术也用于妇科检查，它可以帮助医生有效地把生长在乳房或卵巢的恶性组织分辨出来。 超声波扫描术的两个重要分支-多普勒超声波扫描术和立体超声波成像技术，更扩大了超声波在医学上的用途。 多普勒超声波扫描术已应用了颇长的时间，这技术利用了波动的多普勒效应。反射超声波物体的运动，会改变回声的频率当物体正向着接收器移动时，频率便会升高，相反当物体正在远去时，频率便会降低。从回声的频率改变，仪器便可计算到物体的运动速度。多普勒超声波扫描术主要用于检查血液在心脏及主要动脉中的流动速度。血液的流动情况会以一个颜色的影像显示出来，不同的颜色代表不同的流速 (图二)。这有助医生及早发现胎儿先天性心脏毛病。图三利用立体超声波成像技术显示胎儿的立体影像 立体超声波成像技术是很新的技术。检查员首先从多个不同角度拍摄胎儿的二维超声波影像，然后利用计算机技术合成胎儿的立体影像。利用这技术可清晰地显示胎儿的样貌 (图三)，甚至摄录到胎儿细致如踢脚或转身等动态，实在为准父母带来不少惊喜。外表的缺憾如兔唇、多指甚至细如斑痣等都可以清楚地显示出来。立体成像技术将会成为未来超声波技术研究的重点。此外，高频的超声波带有强大的振动能。将超声波入射载满水的容器，再放入需要的清洗的对象，水的振动便可去除对象上的尘垢，而不需直接接触对象的表面。眼镜公司替我们洗眼镜时就是用这种方法。如果将高能超声波聚焦，能量甚至足以震碎石块，所以可以用来击碎体内结石，使患者免受手术之苦。 第二节 音乐中的物理知识科学与艺术的关系在近几年又被不少人重新提出来了。事实上它是一个一直被前人先哲们争议不休的古老课题。自古至今，多少科学家、艺术家、哲学家对此发表过他们的真知灼见。随着近代科学的发展，人类又重新认识了科学与艺术之间不可分割的内涵所在。当前，科学与文化的发展，除了有各门学科各自的前沿以外，还有三个特点：一是各种门类学科，包括自然科学、社会科学、技术科学、哲学和艺术等学科的交叉与渗透；二是作为主体的人和客观世界的融汇和结合，人们越来越看到自身的价值；三是计算机的渗入。音乐就处在这三个特点的交汇处。以往以研究音乐的客观基础及乐器发声为对象的科学音乐声学，现在已涉及到物理学、音乐艺术、电子学、计算机科学、生理学、心理学、美学等学科。因此，现代的音乐声学已经是一门与高科技结合的新的交叉学科。一场音乐会中的物理问题到现场去听一场音乐会，这是一种文化，一种享受，也是一种感情的交流，还可以说是一种美的升华。然而你知道吗？在音乐中还包含了许许多多的物理问题。报幕员出来了，如果是一个不用扩音设备的音乐厅，那他站的地方一定是舞台正中偏前的位置，在这个位置上讲话，全场听起来最清晰，声音也最响。北京中山公园音乐堂的舞台干脆做成一个扇面，报幕员站在扇面的焦点上。音乐厅的听众大厅，有的做成长方形，有的是扇形。顶棚有的高，有的低。四边的墙壁常常用木板做成“孔隔”、“窝状”。这些都是通过声音的反射来控制声音的音质及其在大厅内的分布。还有，帷幕、座椅、顶板、墙壁、地毯等都有吸声的问题。乐队上来了，为什么第一小提琴、第二小提琴、中提琴、大提琴和大贝司之间有一定数量比例？为什么弦乐器与管乐器之间又有一定数量比例？所谓单管制、双管制、三管制的管弦乐队配置又意味着什么？乐队在舞台的位置如何？同一类乐器处在一起是为了什么等等。这里包括有音量问题和音色问题，即声音的叠加和强弱的配比，而在强弱的比例中又还有音色的配比。各种乐器的发声机理当然是物理问题，不同的乐器有不同的音色，因此，乐器之间都有着传统的“搭配”。乐器的分类方法最普遍的也是最科学的是按其发声的物理机制分类。和声、和弦、声音的协和以及中国唢呐的“不合群”等也是一种物理现象。而配器，也无非是各种音色、音量的搭配和穿插。你能同时听到并分辨出不同乐器，这是由于声波独立传播的性质造成的。如果剧场用了扩音器，或者是录音设备，那么，舞台上分布的、乐队前摆放的、歌唱者手里的传声器，俗称“麦克风”，无论从其类别、性能、放置位置、高度、相互间的距离等都是不同的。这些都是音乐电声问题。音乐电声问题还有音箱的类别、性能、个数、放置位置等。弄得不好，还会有反射声与歌唱声脱节，扬声器发出尖叫声等。舞台上现在有声控的音乐灯光，也是靠声音的强弱去控制的，这也是涉及到物理方面的问题。音乐的物理内容既然我们明确了音乐是声音的一种，现在，让我们从学科的角度来看一看音乐的物理内容。由于声音是振动的传播，因此，物理学就是音乐的自然科学基础，音乐中包含着许多的物理内容。音乐的产生，也就是音乐声源，如弦振动、簧振动、膜板体振动、人的歌唱以及电振荡等属物理声学问题。音乐在各种场合的传播，涉及声的反射、折射、绕射、吸收和隔声等也是物理内容。电声音乐中的换能是把音乐的振动转换成电的振动，然后进行加工、控制，这是电学和声学的换能，也包括信号处理、调制、放大等物理内容。乐器制造实际上是一件发声的物理仪器的制造，音乐的测量，包括频率、强度、时间、频谱、动态等都是物理测量，制造乐器的许多材料性能测量也都是物理测量。研究音乐性质如音质好坏、振动模式等，都是利用物理方法。音乐声的心理、生理实验方法，实际就是物理实验方法在音乐中的运用。音乐研究离不开物理，但是，物理又不是音乐的唯一内容，音乐声学还要把物理和生理、心理因素结合起来，例如：音质的好坏，除了客观地用物理仪器测量以外，还要有主观评价。要把主观评价的客观基础与主观感受联系起来。因此，音乐要反映主体与客体的关系，这里也有审美问题。人对音乐的感知大多是通过耳朵的。立体声效果是建立在双耳效应的基础上。耳朵的能分辨阈值，包括对音调的差别、声强的差别、时值的低限等，都要与客观的物理量结合起来考虑，这是音乐与生理的直接关系。还有，音乐反映人们的心理状态，传递人与人之间的感情，这又是音乐与心理学的关系。“声声慢”与“节节高”声的传播速度当你在校园里的某一处听广播喇叭里播的乐曲时，如果你能同时听到两个扬声器发出的声音，有时你会听到两个声音是一先一后的。产生这些现象的原因是你所在的位置与两个扬声器的距离不同，而且相差较大，而声音的传播是有一定速度的缘故。一位歌唱演员，有一次在剧场里演出时使用扩音设备中扬声器里播放的伴奏带作为伴奏音乐。她总是觉得自己的歌声在往后拖，于是不断地放慢速度“等”着，而结果是越拖越慢，成了“声声慢”，而砸了锅。究其原因，是没有在舞台上放返送音箱，她听到的是台前向观众的扬声器中播出又从剧院后墙反射回来的伴奏音乐。由于声的传播有一定速度，当然就比唱歌后拖一定时间，有个“时间差”。你等它，“时间差”依然存在，就越拖越慢了。就如我们先看到闪电，再听到雷声一样，这说明声音传播的速度比光速小，并且是可以感觉到的。人们测定在空气中传播的声速大约是每秒钟 340米左右，声音在液体和固体中传播的速度要比空气中的传播速度大。人们把耳朵贴在地上，可以比站着先听到远处的马蹄声。声音传播的速度还与传播介质的温度有关。介质温度越高，传播速度越快。声音随着传播介质的温度变化，这点在音乐表演中有很重要的影响。当我们用嘴吹奏笛子、小号等管乐器时，特别是在冬天，会由于人的气息给予的热量而使管内的空气温度升高。这样，由于管乐器的音调与空气中的声速成正比，就会使乐器声的频率变高，成为“节节高”乐队。或者使管乐器的声音与弦乐器等音调随着温度变化不大的乐器的声音脱节，而为对不准音的“多调乐队”，这将会造成不堪设想的后果。音乐与物理的关系有很多，如声强、声压、声能分布形成的声场、音乐声的传远和衰减等等问题；如各种声谱、旋律、节奏、立体声等问题；如音乐声波在各种介质中的传播，音乐声波与温度的关系等问题；如音乐声的反射、吸收、独立传播等等。还有乐器本身是一种产生音乐声的物理仪器，它的分类、材料的性质、结构、振动的模式、声学参数、调试、维护、测量、表演等无不涉及物理问题，电声乐器的发声原理及调试加工、音响设备、音乐在厅室里的传播、歌唱发声的原理以及研究音乐的方法等，也都离不开物理。 第三节 厨房中奇妙的声现象 声音具有三大特征响度、音调和音色。这三个特征在厨房中就有着相当广泛的应用。一、听敲碗声，辨碗质优劣 把碗放在桌面上，用筷子轻敲，发出的声音响亮、余音悠长、音色动听、音调偏低的碗即为上等品质；反之，发出的声音音色沙哑、音调偏高，又无余音的碗就是劣品或者是有裂纹的碗。这是因为碗的音调、音色等是由碗的材料、结构等决定的。二、听烧水声，辨水温高低 烧水时，开始无声无息，此时的水温一般在五六十摄氏度以下；一段时间后，水开始出现响声，并且音调越来越高，响度越来越大，此时的水温一般在五六十摄氏度以上、沸点以下；最后，响度突然变小，音调也变低，此时的水就沸腾了。因为当水烧到约五六十摄氏度左右时，会发出“咝咝”声，这是壶底部分水先受热，溶解在水中的空气受热膨胀，形成小气泡，附着在底部及侧壁上。继续加热时，这些气泡的体积增大，周围的水蒸发变成水蒸气进入气泡。随着温度不断升高，气泡在浮力作用下上升。这时，容器内的上部温度比下部低，因此，上升过程中气泡的体积会变小一些，所受的浮力也逐渐变小。气泡在上升过程中，大部分在水的压力作用下没来得及浮到水面就发生破裂，并伴随着“咝咝”的响声。这些声音由水传至壶体，使壶体与之共鸣，所以引起的响声较大，但此时水并没有开。当水烧开以后，由于容器内上下部的水温相同，壶底部的水汽形成的气泡脱离容器后，在上升过程中不仅不会破灭，而且由于周围的水汽不断地补充反而会逐渐增大，一直上升到水面才会破裂，这时发出的响声就比较小。三、听切菜声，辨刀刃利钝 刀刃锋利，切菜时音调高、响度小；刀刃钝拙，切菜时音调低、响度大。这是因为蔬菜内含有大量细密的纤维，特别是芹菜、韭菜等食茎叶的蔬菜，刀切时，刀刃在切断大量纤维的同时，也引起刀的振动。刀刃越锋利，用相同的力在一定的时间切断的纤维就越多，刀的振动也就越快。当然，由于刀刃锋利，切菜时遇到的纤维的阻力较小，引起的刀的振动幅度也就小了。四、听斟水声，辨壶中水浅满 向壶中斟水时，开始壶中水浅，声音音调低、响度大；壶中水要满时，音调变高、响度变小。这是因为斟水时壶内发出的响声主要是由于水面的振动引发水面上部空气柱的振动发出的。开始时，水面低，上面的空气柱长，其固有的振动频率低，所以发出的音调低。另外，开始时，由于水的落差较大，水面振动的幅度以及引发的空气柱振动的幅度也较大，因此响度也就大了，相反水满时，发出的音调高，响度也就小了。 厨房中应用声音特征的例子还有很多，同学们不妨仔细观察，探究其中的奥秘吧！阅读小资料神秘的次声波1890年，一艘名叫“马尔波罗号”帆船在从新西兰驶往英国的途中，突然神秘地失踪了。20年后，人们在火地岛海岸边发现了它。奇怪的是，船上的东西都原封未动，完好如初。船长航海日记的字迹仍然依稀可辨；就连那些死已多年的船员，也都“各在其位”，保持着当年在岗时的“姿势”；1948年初，一艘荷兰货船在通过马六甲海峡时，一场风暴过后，全船海员莫明其妙地死光；在匈牙利鲍拉得利山洞入口廊里，3名旅游者齐刷刷地突然倒地，停止了呼吸上述惨案，引起了科学家们的普遍关注，其中不少人还对船员的遇难原因进行了长期的研究。就以本文开头的那桩惨案来说，船员们是怎么死的？是死于天火或是雷击吗？不是，因为船上没有丝毫燃烧的痕迹；是死于海盗的刀下吗？不！遇难者遗骸上看不到死前打斗的迹象；是死于饥饿干渴吗？也不是！船上当时贮存着足够的食物和淡水。至于前面提到的第二桩和第三桩惨案，是自杀还是他杀？死因何在？凶手是谁？检验的结果是：在所有遇难者身上，都没有找到任何伤痕，也不存在中毒迹象。显然，谋杀或者自杀之说已不成立。那么，是以疾病一类的心脑血管突然发作致死的吗？法医的解剖报告表明，死者生前个个都很健壮！案情的确蹊跷、迷离而莫测！经过反复调查，终于弄清了制造上述惨案的“凶手”，是一种为人们所不很了解的次声波。次声波是一种每秒钟振动数很少，人耳听不到的声波。次声的声波频率很低，一般均在20兆赫以下，波长却很长，传播距离也很远。它比一般的声波、光波和无线电波都要传得远。例如，频率低于1赫的次声波，可以传到几千以至上万公里以外的地方。1960年，南美洲的智利发生大地震，地震时产生的次声波传遍了全世界的每一个角落！1961年，苏联在北极圈内进行了一次核爆炸，产生的次声波竟绕地球转了5圈之后才消失！次声波具有极强的穿透力，不仅可以穿透大气、海水、土壤，而且还能穿透坚固的钢筋水泥构成的建筑物，甚至连坦克、军舰、潜艇和飞机都不在话下。次声穿透人体时，不仅能使人产生头晕、烦燥、耳鸣、恶心、心悸、视物模糊，吞咽困难、胃痛、肝功能失调、四肢麻木，而且还可能破坏大脑神经系统，造成大脑组织的重大损伤。次声波对心脏影响最为严重，最终可导致死亡。为什么次声波能致人于死呢？原来，人体内脏固有的振动频率和次声频率相近似（0.0120赫），倘若外来的次声频率与身体内脏的振动频率相似或相同，就会引起人体内脏的“共振”，从而使人产生上面提到的头晕、烦躁、耳鸣、恶心等等一系列症状。特别是当人的腹腔、胸腔等固有的振动频率与外来次声频率一致时，更易引起人体内脏的共振，使人体内脏受损而丧命。前面开头提到的发生在马六甲海峡那桩惨案，就是因为这艘货船在驶近该海峡时，恰遇海上起了风暴。风暴与海浪摩擦，产生了次声波。次声波使人的心脏及其它内脏剧烈抖动、狂跳，以致血管破裂，最后促使死亡。次声波虽然无形，但它却时刻在产生并威胁着人类的安全。在自然界，例如太阳磁暴、海峡咆哮、雷鸣电闪、气压突变；在工厂，机械的撞击、摩擦；军事上的原子弹、氢弹爆炸试验等等，都可以产生次声波。由于次声波具有极强的穿透力，因此，国际海难救助组织就在一些远离大陆的岛上建立起“次声定位站”，监测着海潮的洋面。一旦船只或飞机失事之后，可以迅速测定方位，进行救助。近年来，一些国家利用次声能够“杀人”这一特性，致力次声武器次声炸弹的研制。尽管眼下尚处于研制阶段，但科学家们预言：只要次声炸弹一声爆炸，瞬息之间，在方圆十几公里的地面上，所有的人都将被杀死，且无一能幸免。次声武器能够穿透15厘米的混凝土和坦克钢板。人即使躲到防空洞或钻进坦克的“肚子”里，也还是一样地难逃厄运。次声炸弹和中子弹一样，只杀伤生物而无损于建筑物。但两者相比，次声弹的杀伤力远比中子弹强得多。超声波的应用 人耳最高只能感觉到大约 20000 hz 的声波，频率更高的声波就是超声波了超声波广泛地应用在多种技术中超声波有两个特点，一个是能量大，一个是沿直线传播它的应用就是按照这两个特点展开的理论研究表明，在振幅相同的情况下，一个物体振动的能量跟振动频率的二次方成正比超声波在介质中传播时，介质质点振动的频率很高，因而能量很大在我国北方干燥的冬季，如果把超声波通入水罐中，剧烈的振动会使罐中的水破碎成许多小雾滴，再用小风扇把雾滴吹入室内，就可以增加室内空气的湿度这就是超声波加湿器的原理对于咽喉炎、气管炎等疾病，药力很难达到患病的部位利用加湿器的原理，把药液雾化，让病人吸入，能够增进疗效利用超声波的巨大能量还可以把人体内的结石击碎金属零件、玻璃和陶瓷制品的除垢是件麻烦事如果在放有这些物品的清洗液中通入超声波，清洗液的剧烈振动冲击物品上的污垢，能够很快清洗干净俗话说“隔墙有耳”，这说明声波能够绕过障碍物但是，波长越短，这种绕射现象越不明显，因此，超声波基本上是沿直线传播的，可以定向发射如果渔船载有水下超声波发生器，它旋转着向各个方向发射超声波，超声波遇到鱼群会反射回来，渔船探测到反射波就知道鱼群的位置了这种仪器叫做声纳声纳也可以用来探测水中的暗礁、敌人的潜艇，测量海水的深度根据同样的道理也可以用超声波探测金属、陶瓷混凝土制品，甚至水库大坝，检查内部是否有气泡、空洞和裂纹人体各个内脏的表面对超声波的反射能力是不同的，健康内脏和病变内脏的反射能力也不一样平常说的“b超”就是根据内脏反射的超声波进行造影，帮助医生分析体内的病变有趣的是，很多动物都有完善的发射和接收超声波的器官以昆虫为食的蝙蝠，视觉很差，飞行中不断发出超声波的脉冲，依靠昆虫身体的反射波来发现食物海豚也有完善的“声纳”系统，使它能在混浊的水中准确地确定远处小鱼的位置现代的无线电定位器雷达，质量有几十、几百、几千千克，蝙蝠的超声定位系统只有几分之一克，而在一些重要性能上，如确定目标方位的精确度、抗干扰的能力等都远优于现代的无线电定位器深入研究动物身上各种器官的功能和构造，将获得的知识用来改进现有的设备和创制新的设备，这是近几十年来发展起来的一门新学科，叫做仿生学。第二章 生活中的光学光是人类认识外部世界的工具，是信息的理想载体和传播媒介。光除了让我们观察一切之外，在人们的日常生活中还有很多应用，现以常见物体为例，加以说明。光纤通信 现代科学创造的奇迹之一，是使光像电流一样沿着导线传输。不过， 这种导线不是一般的金属导线，而是一种特殊的玻璃丝，人们称它为光导纤维，又叫光学纤维，简称光纤。1870年，英国科学家丁达尔做了一个有趣的实验：让一股水流从玻璃容器的侧壁细口自由流出，以一束细光束沿水平方向从开口处的正对面射入水中。丁达尔发现，细光束不是穿出这股水流射向空气，而是顺从地沿着水流弯弯曲曲地传播。这是光的全反射造成的结果。光导纤维正是根据这一原理制造的。它的基本原料是廉价的石英玻璃，科学家将它们拉成直径只有几微米到几十微米的丝，然后再包上一层折射率比它小的材料。只要入射角满足一定的条件，光束就可以在这样制成的光导纤维中弯弯曲曲地从一端传到另一端，而不会在中途漏射。科学家将光导纤维的这一特性首先用于光通信。一根光导纤维只能传送一个很小的光点，如果把数以万计的光导纤维整齐地排成一束，并使每根光导纤维在两端的位置上一一对应，就可做成光缆。用光缆代替电缆通信具有无比的优越性。比如20根光纤组成的像铅笔精细的光缆，每天可通话7.6万人次，而1800根铜线组成的像碗口粗细的电缆，每天只能通话几千人次。光导纤维不仅重量轻、成本低、敷设方便，而且容量大、抗干扰、稳定可靠、保密性强。因此光缆正在取代铜线电缆，广泛地应用于通信、电视、广播、交通、军事、医疗等许多领域，难怪人们称誉光导纤维为信息时代的神经。我国自行研制、生产、建设的世界最长的京汉广(北京、武汉、广州)通信光缆，全长3047公里，已于1993年10月15日开通，标志我国已进入全面应用光通信的时代。光的储存器最近，在德国慕尼黑大学的实验室里，阿希姆维克斯福特和他的同学们找到了一种捕获光束的方法，能把光束存储一会儿，然后再把它放走。这种巧妙的方法对于制造未来的光学计算机可能具有深远意义。神奇的光具有通信和计算机技术人员所盼望的理想特性，其信息载运能力（或者说带宽）非常巨大。一束激光脉冲一秒钟就可传输整部不列颠百科全书。光还能轻而易举地分成很多光束，成为并行处理的理想媒介，而并行处理是高速计算技术的未来发展趋势。还有，光的运动是宇宙中速度最快的。光的运动速度快是个优点也是缺点，如果你想获得数据，你必须让它撞上什么东西停下来。近年来，物理学家已设计出一些非常奇特的墙壁供光束撞击，这些统称为光电子学技术会把光所携带的数据转换成普通机器所使用的电子形式的技术。应用光电子技术能够把信息以光速从一个地方传送到另一个地方，在越洋电话电缆、电视遥控器等各个领域都可见到光电子设备的身影。但是，在实际应用中，仍然要把光的惊人速度和传输容量转换成缓慢的电子流，从而受到导电物体变幻莫测的电流的限制。如果能够使用光而不是电子，那么就有可能建造超高速的设备;如光学计算机。为了实现这一梦想，必须设法让光在某些地方滞留一段时间以备使用,实际的滞留时间要足够长，以使光束能够充当光传导数据的存储器。人们多年来一直在寻找制造这种光学存储器的方法。他们尝试了各种各样的方法，有的方法要利用古怪的量子效应，有的方法则显得直截了当（比如让光在一个光纤做成的线圈中运行一段时间等）。维克斯福特说，这些装置的缺点在于它们的体积一般很庞大，为了把光滞留百万分之一秒，你需要300米长的光纤，并且它们还难以控制。他说：“理想的光学存储器应该是一个小型容器，进入容器中的光信号应该能够按人们的需要保留一段时间，然后再以光的形式释放出来。”维克斯福特的研究小组今年早些时候在科学杂志上公布了他们的研究成果：一种把光存储在比一个句号还要小的存储装置中的切实可行的方法。他们使用的是半导体材料，使这种装置非常容易制造并且可与现有的电子技术相结合。不过制造一种能够捕获、存储和释放光的存储器要困难得多。为了克服这个障碍，维克斯福特的科研小组研究控制电子运动的新方法。他们发现表面声波施加到晶体表面的波浪形压力是一种大有希望的控制电子的方法。维克斯福特的学生卡斯腾勒克领导的一个研究小组使用一个高频电场制造出了一种声波。勒克和他的同事们还设法把能量保存了几个微秒的时间,这比自然条件下电子空穴对的存在时间长了几千倍。但是这里有个难题：所有这些实验都是在只比绝对零度高4度的液氦低温下进行的，并不便于在日常电器中使用。目前，维克斯福特则向人们表明，通过采用砷化镓和砷化铝半导体层，并且在表面装上一个透明的电极用来产生电场，在液氮温度下也能取得同样的结果。他们设法把光存储了35微秒。通过进一步改善设计，他们认为能够在室温下运行的装置没有理由不会很快做成。维克斯福特说，只要你知道了原理，就像生活中的平常事情一样，制造一个光学存储器是非常容易的。这种“声光”装置大有用途。这种存储器的灵活性为制造一系列的装置开辟了道路，这些装置不仅能够存储光，而且还能够处理诸如复合和分解（把很多输入的光信号合成一个信号以及把一个信号分解成多个信号）这样的任务。维克斯福特说：“光学动态随机存取存储器在诸如光学模式的识别和图像处理等领域具有诱人的应用潜力。”第一节 光的传播以及怎样才能看见物体光的传播光的传播规律 光在同种均匀介质中沿直线传播。小孔成像、日食和月食还有影子的形成都证明了这一事实。 小孔成像怎样才能看见物体古人很早就思考过这个问题，提出过一些猜测。有人认为是眼睛发出光线，这些光线碰上物体，人才看见那些物体。还有人认为眼睛发出触须那样的东西，通过触摸而看到物体。这些看法都是错误的，但它说明人的认识是不断进步的。公元11世纪，阿拉伯科学家伊本？海塞本纠正了上述看法。他认为光线是从火焰或太阳发出，射到物体上，被物体反射后进入人眼，人因此而看到物体。 现在我们知道，人眼就好像一架照相机。当发光物体发出的光或不发光物体反射的光进入眼睛，通过眼睛的折光部分在眼的视网膜上形成物体倒立的像，然后通过神经系统传到大脑，产生视觉，人就看到了物体。眼是人体重要的感觉器官，那么人眼是怎样看见外界物体的呢？人眼感受光线刺激主要包括两个过程：一是折光过程，即外界物体发射或反射到眼的光线，经过眼的透明组织角膜、房水、晶状体和玻璃体的折射，把物体成像在视网膜上，形成一倒置缩小的实像(见附图)。这个过程类似照相机的照相作用,基本上是一个物理过程；二是感光过程，即视网膜感受光的刺激后，产生光化学反应，最后产生神经冲动，再通过视神经将冲动传到视觉中枢(大脑的枕叶皮层)，从而产生视觉，这是一个复杂的生理过程。 和照相机里的像一样，视网膜上的像其实也是倒立的，也是左右换位的。为什么我们眼睛看到的像