2014年7月22日

科學展覽品-聲波-克拉德尼盤

這是一種稱為克拉德尼盤的演示教具,在關於聲音與波動的展場中都可以看到它的出現,如果又有志工當場解說,就不會只是一個正方形或長方型盤子。其實盤子的形狀不是問題,但是正方形對稱的盤子是比較好的。再者,則是用小提琴的弓去摩擦其中一邊,由下而上地摩擦邊緣,琴弓上可以沾附松香粉末,讓摩擦係數改變以增加摩擦力。
一般的設置是在方盤正中央用一根圓柱固定,讓邊緣不受干擾
並且在盤面均勻地撒上細緻的粉末或沙粒,讓波的圖案可以呈現

增加摩擦力能讓方盤快速地上下振動,振動頻率隨著弓的拉動而出現不同,振動的盤面各處振幅不盡相同,振幅最大的地方稱為波腹,細緻而質輕的小顆粒常從這種地方被彈開,小顆粒則集中在一處。如果仔細觀察,小顆粒集中的地方振動幅度最小,甚至完全不起振動,這種地方被稱為節點。每個節點串接起來,就稱為節線。


當然不是每次拉弓的力道、角度與方式都相同,所以每次產生的頻率也都不一樣,因此每一回出現的圖形會出現些微差異。頻率越高使得波長越短,所以在盤面上的圖形會越來越複雜,就好像眾多小顆粒聽到指令一樣,開始在二維的盤面上排列出奇妙的圖案,這一系列美妙的圖案便稱為克拉尼圖形(Chladni Pattern)。
方盤邊緣在弓的摩擦下,讓原本四處散布的小顆粒朝特定位置開始移動
解說志工將一元硬幣放在節線上,藉以說明此時此處的振幅最小

為求更精密的分析,現在的物理實驗室都使用訊號產生器來產生特定頻率的振動,觀察在不同頻率所呈現的不同圖案。現在也有較為親民的實驗設計出現,在一般的家庭中可以使用臉盆和較大的垃圾袋,就能讓食鹽在繃緊的袋面上跳舞,除了利用人聲使袋面振動外,也可以使用喇叭,再加上現在電腦音頻軟體或手機APP,讓這些小顆粒聽從指揮,排列出多變的圖案已不再是難事。
這樣的展現好棒!

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