宋朝科學家沈括是怎麼研究聲學共振的?
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想知道宋朝科學家沈括是怎麼研究聲學共振的嗎?其實我國古代很早就對共振現象有記述,接下來小編爲大家帶來相關內容,感興趣的小夥伴快來看看吧。
公元前3世紀—4世紀的《莊子》一書就記載了調瑟時發生的共振現象。這種基音與泛音共振現象的發現比西方早得多。
《墨子·備穴篇》還記述了共振現象的具體應用:在城牆根下每隔幾米,挖一個坑,坑內埋置容量爲70升—80升的陶甕,甕口蒙上皮革。若有敵人挖地道攻城,可以根據各陶甕聲響情況,確定敵人挖掘的位置和方向。
沈括在《夢溪筆談》中精心設計了一個聲學共振實驗。
沈括深通樂理懂音樂,曾經還寫過幾十首軍歌,更難能可貴的是,他還善於舉一反三,能夠融會貫通,通過音樂現象和原理啓發科學研究。
有一天,沈括和朋友們聚在一起喝茶聊天。
一位朋友面露神祕得跟大家說:“最近我家裏發生了一件怪事,是這樣的,我家有一張琵琶,一直放在一間空屋裏沒人管他。奇怪的是,有一次,我用少數民族的管樂器演奏燕樂“雙調”的時候,在無人動琵琶或其他樂器的情況下,屋子裏的琵琶弦自己發出聲音應和了,但是要是演奏其他曲調就不會有這個現象。我試了好幾次,都是如此,這是不是有什麼靈異事件或者我那件空屋子有神祕的妖魔鬼怪啊?”
衆人聽罷紛紛議論起來,討論此人屋子裏是否有邪氣或者其他問題。
這人越發緊張,擔心家裏是不是遭遇了什麼邪事。
沈括在旁邊一直微笑不語,有個人對沈括說:你博聞強識,見多識廣,你來說說怎麼回事唄?”沈括聽罷面露從容,他勸這位朋友:“其實這沒什麼大驚小怪的,只是極爲普通的常理而已。因爲不同樂器在二十八調中只要有聲音相同,就可能發生應和的聲音。你所說的琵琶自己會跟着燕樂“雙調”發聲就是這種現象,這是個非常普通的道理,跟所謂的神靈或妖魔鬼怪沒任何關係,別自己嚇唬自己了。”
其實沈括說的常理,其實就是弦的共振現象。他接着給這位朋友解釋說:弦的共振現象,是聲學最妙處,因爲很多人不知道這個常識,以致於至今也不能奏出最和諧的天籟來,遺憾!”這位朋友聽了,大舒一口氣,衆人也信服了。
沈括的這番議論,並非信口開河。
在這個問題上,他曾做了一個有趣的實驗:在同一七絃琴上,有宮、商、角、徵、羽、少宮、少商七條弦,少宮、少商各比宮、商高音階八度音。
他放一個剪好的小紙人放在少宮或少商弦上,當撥動宮弦或商弦時,在少宮、少商弦上的紙人就跳動了起來,但是撥動其它音調不同的弦時,紙人卻一動不動。
沈括又在不同的琴上進行實驗,他把將紙人放置在另一個樂器上,當兩者的發聲頻率出現相同時,彈動琴絃時,放在另一樂器相應聲調位置上的紙人,便跳舞般地擺動着。
通過這個實驗,沈括充分證明了一個道理:當一個發聲體發生振動時,與之頻率相同的發聲體也會隨之振動。沈括稱這種現象爲“應聲”,現代物理學叫“共振”。
在西方,共振現象是由伽利略在17世紀首先描述的,沈括比他早了五六百年,雖然伽利略在對共振的分析更深入,但沈括在那麼早的時代就對對聲學現象作出研究,已經非常難得了。
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