让微小的振动和形变无处藏身

华庆富

摸着你的喉咙，男生摸到微微凸起的喉结就对了，女生可以模仿男生按着自己颈部相应的位置，然后随便说一句话，你有什么感觉?手指不断地振颤?这就对啦。不过，这种振颤不是来自你的手指，而是来自你喉咙中声带的振动。

声音是由物体的振动产生的，力的作用效果之一是使物体发生形变，弹性形变中产生的力叫做弹力。在这三个知识点的具体教与学中存在着这样的问题：许多物体的振动幅度是非常微小的，我们肉眼几乎看不见，这对于理解声音的产生条件就造成了障碍；有的物体在力的作用下发生的形变(包括弹性形变)也非常微小，微小到我们的肉眼也看不到，这同样对于力的作用效果以及弹力的理解造成了障碍。

对于振动显示问题，书本上所列举的例子都是显著的振动或者借助小纸屑等轻小物体的振动来显示。然而对于坚硬的木块、金属等的微小振动而言，这样的方法是无法产生明显效果的；对于形变(包括弹性形变)问题，书本上用拉伸压缩弹簧、挤压气球等形变显著的例子来讲解，但是没有提供显示坚硬的木块、金属等微小形变的方法。如果我们对书本实验加以改进，就可以将微小振动、微小形变明显地显示出来。

1.微小振动显示仪

如图1所示，在两根线的中间栓上一个小的平面镜，线的一端栓在椅子的靠背上(或者另一同学的拉着)，在线的另一端穿着一个较大的纸盒子，将线绷紧，等镜子稳定下来后，用一束光线照射到镜子上(可以是手电筒光，也可以使透过窗子照进房间的太阳光)，此时镜子反射到墙上的光斑就不再晃动。只要实验的人对着纸盒喊一声，此时观察墙上的光斑，你就会发现，墙上刚才还静止不动的光斑现在明显地抖动起来。

原来，人对着大纸盒的喊声引起的振动，通过固体纸盒、线传播开去，也引起线的振动，这样的振动又导致线上的小平面镜按照同样的频率振动，最后导致入射角不断的改变，于是经反射光线在墙上的放大，形成的光斑的大幅度抖动起来，这就直观地证明了声音是由于振动产生的，并且还证明了固体能够传播声音。

2.微小形变显示仪

如图2所示，将一个打点滴用的透明玻璃瓶装满清水，在橡胶塞上用热铁丝钻一个细细的洞，在一根细而硬的塑料吸管里吸入半管红水，用手指堵住吸管的上口慢慢插入橡胶塞，当吸管的下口浸没在瓶中的清水中时就可以了。要注意预先在橡胶塞上钻出的洞大小要合适，以确保吸管与橡胶塞之间不漏水。

将瓶子放在桌上，我们可以看到吸管里有高出瓶塞的一段细细的红水。如果用力挤压瓶子的两侧，就能看到吸管中的红水柱慢慢上升；松手后，吸管里的红水柱又回到原来的位置，而整个过程中并没有红水注入或者流出吸管。这是因为挤压瓶子时，瓶子发生形变向中间凹进去，但是这个形变很小，我们肉眼是看不出来的。不过被挤走的水是藏不住的，它沿着吸管上升，我们看到的就是吸管中的红水柱上升；松手后，瓶子恢复原状，被挤走的水又回到原来的空间，所以吸管中的红水柱也就回到了原来的位置。

3.微小振动与微小形变综合显示仪

如图3所示，用一根木条和两个小木块做成一个长凳形的木架，在木条中心的一侧位置上，用双面胶固定一块小平面镜，然后让太阳光透过窗户照射到小平面镜上，将反射光照在墙壁上。用一根小木棒敲击木架中间，可以看到墙上的反射光斑不断地振动。这是因为被敲击的木条的振动，引起了平面镜的振动导致的；用力按压木条中间，可以看到墙上光斑的位置移动了，这是因为木条的形变导致的。这样，由于放大的作用，我们看到了物体的微小振动和微小形变。

这个小制作应用了转化法和放大法，将木条的微小振动转化为光斑的振动，并且加以放大；将木条的微小形变转化为光斑的位置移动，并且加以放大。在放大过程中涉及到数学中的平面几何知识。该制作的创新点有两个：一是利用身边随手可得的生活用品，轻松地解决了课本中没有解决或者没有完全解决的问题，为我们的深入学习提供了帮助。二是将书本不同实验进行有效的整合。该小制作实际上是书本中小纸屑显示鼓面振动实验和平面镜对光线的作用实验的整合与改进。