机械波与电磁波

锁相 2014-06-0922:04:21 评论 3,930 views

《波的科普》系列文章之(一)

促使我写这组文章的原因有三个:

一、女法医王雪梅在马跃案中有一段笑话“手机……突然接收了一个来自巨大网络空间的异常信号,导致他的身体周围突发电磁巨变……这个电磁巨变恰巧超越了……安全设施的最大防护能力”;

二、防辐射服显然是商业骗局,不过打假者方舟子依然在深圳败诉;

三、在我收到的大量民科邮件中,有一些民科用他们所认为的“波”的概念“解释”现有的物理体系。有些错误的说法想驳斥非常难以直接展开,特别是对方用的不是科学界通用的语言时,(比如“椅子听见喇叭广播,导致吃椅子的人肝脏燃烧,这个燃烧恰好超越了房间的温控能力”)。

因此,《波的科普》这系列文章尝试科普跟波相关的一些知识,让读者了解波的物理之后,在与之有关的事情上能有自己的判断。

机械波与电磁波

波,通常指的是有规律传播着的扰动。机械扰动的传播形成机械波,电磁扰动的传播形成电磁波。本文将简单介绍机械波和电磁波的产生方式和传播规律。我们先从机械波讲起。

形成机械波,需要两个条件,扰动和提供传播的介质。我们最熟悉的波应该是声波,此时,我们的身体,就是扰动的来源,而空气,就是提供传播的介质。真空中,声音无法传播。

最简单的扰动是周期性扰动,例如一个音叉,在空气中来回振动时就近似是一个周期性扰动,产生的波也是周期性的。此时,我们可以通过周期性波来定义几个概念,波长、周期、频率和波速。

以下图为例,黑色的点代表了空气分子,黑色点的疏密代表了空气分子的不同密度,我们有一个持续而稳定的音源。声音在空气中传播引起了空气分子的密度周期性变化。

在某一特定时间,密度是有规律随空间分布的,从密度最大点(A)到右边相邻密度最大点(B)的距离称为波长。在A点,分子的密度也是随时间有规律地变化,从此时密度最大的时刻到下一密度最大的时刻称为周期,周期是由扰动的源(图中为喇叭)决定的。波的频率,就是周期的倒数。

大家都知道声音的传播是有速度的,这个速度就是波长除以周期。波长,就相当于密度最大点离开A点时,经历一个周期后传播的距离。大家可以想象一下,一个周期后,A点密度又回到最大,那么此时原处于A的密度最大点正好传播到了B点。

机械波与电磁波

A点→B点

  (纵波图片来源:http://www.mediacollege.com/audio/01/sound-waves.html)

空气中的声速大约是340米/秒,这跟介质(这里是空气)内部单元的相互作用力有关的,通常来说,相互作用力越大、密度越低,波速越大。对声波具体而言,温度越高、气体摩尔质量越小(比如将空气中的氮气换成同等比例的氦气),速度越快。 液体和固体中内部单元相互作用力大于气体,所以液体和固体中的声速大于气体中的声速。

此外,固体中因为内部单元间有切向的力量(想象一长馒头沿x轴放置,我们既可以沿x轴挤压拉伸,也可以在y轴和z轴方向扯一扯,馒头都不会断裂),所以固体中可以有新的传播方式。

“挤压拉伸”的波称为纵波,空气中声音的传播就是纵波,所谓“纵”,就是内部单元振动的方向沿着波的传播方向;如果内部单元振动的方向垂直于波的传播方向,就是横波,如下图右边弹簧的示例。

机械波与电磁波

—————————————→X轴

纵波与横波

(图片来源:http://www.physicsclassroom.com/class/waves/u10l1c.cfm)

相隔很远的两个人说话时,不考虑回声时,甲的一个声音只会在一个时间点到达乙的耳朵。而固体中的振动传播时,因为有不同的振动模式,对应不同的相互作用力,因而对应不同的波速,振动可以在两个不同时间点传播到异地。

地震发生在地表几十公里甚至几百公里以下,而人类生活在地表上,所以地震的振动产生后,影响地表两次,一次通过纵波传递,一次通过横波传递,横波的波速大约是纵波的60%。

横波对人类建筑物的影响较大,因此,如果人们探测到纵波,并且及时反应的话,也许能在横波传递到地面前争取到一些逃生时间。花岗岩中的纵波的速度大约是5000米/秒,假如地震发生在50公里深处,横波纵波的间隔就是四秒钟的时间,考虑到建筑物不是第一时间就会倒塌,人往往能争取到十几秒以上的逃生时间。

日本的地震预警系统就是为普通人群争取这几秒或者几十秒的时间差。现在很多笔记本电脑有加速计,可以用来探测意外的冲击,UC,Riverside的一位科学家就考虑过用大量有加速计笔记本联网作为测量网络,用以探测和第一时间通知地震的产生。

电磁波是电磁振荡的传播,它不需要介质。一个简单产生电磁振荡的方法就是做交变运动的电荷系统,比如两个连接在一起的导体球,一个带正电荷,一个待负电荷,导体球上的电荷交替地变化。

与之前提到的机械波不同,电磁波的振荡是电场和磁场的振荡,而不是介质内部单元的机械振荡,正好电场与磁场又都可以存在于真空中,所以电磁波可以在真空中传播。

当然,电磁波也可以在介质中传播。在传播过程中,电场与磁场的方向均垂直于传播方向(见下图),因此,电磁波是一种横波。真空中,电磁波的波速可以理论推导而出,数值等于光速(299 792 458 m/s);历史上也因为如此,麦克斯韦预言光的实质就是电磁波。

因为光速远大于地震机械波的速度,人们得到地震纵波的信息后,通过电磁波传播出去,才能在地震横波抵达前将信息送到世界各地。

机械波与电磁波

波的传播方向向右。E代表电场,H代表磁场。

(图片来源:http://web2.uwindsor.ca/courses/physics/high_schools/2010/ThreeDTV/wave.html)

电磁波与机械波一样,也有波长和频率,因为电磁波不同于机械波,在真空中的波速是固定值,因此,电磁波的频率和波长是对应的。

人们根据电磁波的不同波长或者不同频率,习惯上将电磁波称为无线电波、光、X射线等。可见光,就是我们最容易感知到的电磁波,我们所感知到的不同颜色的光,其实就是不同波长的电磁波。

无线电波中,可以通过频率的变化传递信号,也可以通过振幅的变化传递信号,这就是无线电波中FM(Frequency modulation)和AM(Amplitude modulation)的来由。

机械波与电磁波

  图中,波依照波长,被称为Gamma射线、X射线、紫外、可见光、红外、无线电波

(图片来源:http://physics.tutorvista.com/waves/wavelength-spectrum.html)

由上可见,机械波也好、电磁波也好,并不是什么神秘的东西,它们在现实生活中有着小学生都明白的例子。一味地恐惧电磁波,特别是因为未知而恐惧,是没有必要的。现在应该很少有害怕电台广播在身边无处不在的人了,至于可见光,人们要是害怕生活中也躲不了。

不同的电磁波与物质的相互作用方式不同,那么,我们如何知道波的影响呢?本系列第二篇文章将从纯物理的角度介绍波如何与物质相互作用。

锁相

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