波的實驗

 

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實驗F:

噴水魚洗共振實驗


 

魚洗

魚洗,亦稱龍洗。由銅鑄成的薄壁器皿似洗面盆,因盆底有四條龍或魚的浮雕而得名,是中國古代科技一大發明,早在漢代出現,據文獻記載,在我國明代,魚洗曾是皇親國戚、才子佳人的玩藝之物。

魚洗是一種銅鑄的薄壁臉盆,兩邊各有一只環型提手,稱為「洗耳」,底部一般刻有栩栩如生的四條魚兒。當用雙手手心分別在盆的兩個把手上來回摩擦時,盆中水面邊緣將有對稱的四處不斷往上噴射大量水滴,高達30cm以上,如噴泉並發出尖響,蔚為奇觀。

聽說古時候它是用作測試人們對寺廟神靈的誠心度;信眾祈求焚香後,跑到注了水的魚洗前,用雙手摩擦洗耳,如果足夠誠心,魚洗便會發出蜂鳴聲,水會從魚兒的口噴上來。

其實魚洗會否噴水跟誠心與否並無關係,它是利用了物理學中常見的「共振」原理 (Resonance) ,每個人也可以讓它噴水。

每種物質都有一個自然頻率 (Natural Frequency),當物件受外力振盪, 而這振盪的頻率剛好是它的自然頻率,物件便會劇烈地振動起來,科學家稱這現象為「共振」。

當魚洗的銅壁受到激勵振動起來,頻率達到自然頻率,共振便出現了;銅壁劇烈地振動起來,因魚洗底部的限制,這振動不能外傳,形成了水駐波 (Standing Wave)。駐波中振幅最大的點是波腹 (Antinode),駐波每一節 (Loop)都有一個波腹。 用手摩擦魚洗這樣圓盆形的物件,經由共振所形成的水駐波一般都是四節的,也就是有四個波腹。當共振出現,這些波腹的振幅便會加劇,做成水花四濺的狀況,工匠在這些地方刻上四尾魚,便可做成魚兒噴水的模樣了!

現在你明白了魚洗的原理,但要讓它噴水要注意兩點:第一,雙手要潔淨,手上的油污會阻礙摩擦;第二,從小漸漸加大摩擦的頻率會較易掌握要達到的頻率。只要掌握要訣和多試幾次,你就可以讓魚洗產生噴泉並發出嗡嗡的聲音了!

共振現象在日常生活屢見不鮮:電視上女高音手在表演中把自己的聲音越提越高…「啪!」,前頭的玻璃杯裂開了,因為聲音推動玻璃杯的頻率達到了玻璃的自然頻率,產生共振;從海灘拾來一只大海螺,把它貼近耳朵便可聽見海浪聲, 那是由於微風和環境的雜音偶然激起了海螺中的空氣柱,產生共振,聲音忽大忽小,讓人聽起來好像大海的浪濤聲。

影片:VCLP0053.MP4 (4,866 kB)

影片:VCLP0051.MP4 (3,506 kB)

可參考資料:戴念祖,噴水魚洗起源初探,自然科學史研究,第2卷第一期(1983年)


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長庚大學通識中心  邱韻如

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