奇妙的共振现象
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作者: 杨吉民 罗勇
介绍了诸多共振现象，以实例较详实地叙述了共振的利与害，启示人们在工作、生活中注意趋利避害。能使学生产生耳目一新的感觉，激发学习兴趣，开阔知识视野。
共振现象危害利用共振现象在自然界中，非常普遍地存在着，任何物体产生振动后，由于其本身的构成、大小、形状等物理特性，原先以多种频率开始的振动，渐渐会固定在某一频率上振动，这个频率叫做该物体的“固有频率”，因为它与该物体的物理特性有关。当人们从外界再给这个物体加上一个振动（称为策动）时，如果策动力的频率与该物体的固有频率正好相同，物体振动的振幅达到最大，这种现象叫做“共振现象”。但在初中物理教材中，仅简单提及，高中物理教材也仅是简单做了原理分析，而列举生活中的实例甚少，学生又没有体验，不易理解相关知识。
一、自然界中的共振现象
共振在声学中亦称“共鸣”，它指的是物体因共振而发声的现象，如两个频率相同的音叉靠近，其中一个振动发声时，另一个也会发声。在电学中，振荡电路的共振现象称为“谐振”。从总体上来看，宇宙的大多数物质是有弹性的，大到行星小到原子，几乎都能以一个或多个固有频率来振动。我们都知道，宇宙是在一次剧烈的大爆炸后产生的。而促使这次大爆炸产生的根本原因之一，便是共振。当宇宙还处于浑沌的起点时，里面就开始产生了振荡。最初的时候，这种荡振是非常微弱的。渐渐地，振荡的频率越来越高、越来越强，并引起了共振。最后，在共振和膨胀的共同作用下，导致了一阵惊天动地的轰然巨响，宇宙在瞬间急剧膨胀、扩张，然后，就产生了日月星辰。微观物质世界的产生，也与共振有着密不可分的干系。宇宙诞生初期的化学元素，也可以说是通过共振合成和产生的。人及其它的生物也是宇宙间的物质，当然共振也是普遍存在于这些生命中了。人除了呼吸、心跳、血液循环等都有其固有频率外，人的大脑进行思维活动时产生的脑电波也会发生共振现象。类似的共振现象在其它动物身上也同样普遍地存在着。
二、共振不可缺少
其实，更为重要的是，共振能充当地球生物的保护神。我们知道，紫外线是太阳发出的一种射线，过量的紫外线会使生物的机能遭到严重的破坏。而大气层中的臭氧层，是借助于共振的威力，阻止了紫外线的长驱直入。当紫外线经过大气层时，臭氧层的振动频率恰恰能与紫外线产生共振，因而就使这种振动吸收了大部分的紫外线，保证我们不至于被伤害。另外，共振还能使地球维持在适当的温度，给地球生命创造出一个冷热适宜的生长环境。我们所熟知的植物的光合作用，亦是叶绿素与某些可见光共振，才能吸收阳光，产生氧气与养分。所以没有共振，植物便不能生长，人类和许多动物也就因此会失去了食物的来源。
三、共振的危害
任何事物都是有两面性的，共振有也非常巨大的危害性。18世纪中叶，一队士兵在指挥官的口令下，迈着威武雄壮、整齐划一的步伐，通过法国昂热市一座大桥，快走到桥中间时，桥梁突然发生强烈的颤动并且最终断裂坍塌，造成许多官兵和市民落入水中丧生。后经调查，造成这次惨剧的罪魁祸首，正是共振！因为大队士兵齐步走时，产生的一种频率正好与大桥的固有频率一致，使桥的振动加强，当它的振幅达到最大限度直至超过桥梁的抗压力时，桥就断裂了。类似的事件还发生在俄国和美国等地。
每年肆虐于沿海各地的热带风暴，也是借助于共振为虎作伥，才会使得房屋和农作物饱受摧残。当地壳里的某一板块发生断裂时，产生的波动频率传到地面上，与建筑物产生强烈的共振，于是，就造成了屋毁人亡的惨剧。
实际上，共振的危害程度和范围还远远不止于此。持续发出的某种频率的声音会使玻璃杯破碎。机器的运转可以因共振而损坏机座。高山上的一声大喊，可引起山顶的积雪的共振，顷刻之间造成一场大雪崩。行驶着的汽车，如果车轮的轮转周期正好与它上面弹簧的固有节奏同步，所产生的共振就能导致汽车失去控制，从而造成车毁人亡……人们在生活和生产中会接触到各种振动源，这些振动都可能会对人体产生危害。目前，已研制出次声波枪和次声波炸弹。不论是次声波枪还是次声波炸弹，与人体内的某些器官发生共振，使受振者的器官发生变形、位移或出血，从而达到杀伤敌方的目的。
四、利用共振能带来福祉
实际上，中国人对于共振的运用，还可以追溯到很久远的年代。早在战国初期，当时的人就发明了各种各样的共鸣器，用来侦探敌情。到了现代，随着科技的发展和对共振研究的更加深入，共振在我们的社会和生活中“震荡”得更为频繁和紧密了。弦乐器中的共鸣箱、无线电中的电谐振等，就是使系统固有频率与驱动力的频率相同，发生共振。我们在建筑工地经常可以看到，建筑工人在浇灌混凝土的墙壁或地板时，为了提高质量，总是一面灌混凝土，一面用振荡器进行震荡，使混凝土之间由于振荡的作用而变得更紧密、更结实。此外，粉碎机、测振仪、电振泵、测速仪等，也都是利用共振现象进行工作的。进入20世纪以后，广泛应用在电视、广播和通讯等方面，我们知道，粒子加速器对于物理学的研究和发展是至关重要的，而粒子加速器对于共振的运用，用“登峰造极”来形容也一点不为过。在粒子物理的基本小宇宙中，每一种能量都有对应的频率，反之亦然，这是很自然的物质互补原理，既有波又有粒子的特性。物质因为具有波的性质，也就有了频率。粒子加速器就是运用了这样的共振原理，把许多小小的“波纹”迭加起来，结果变成很大的“波峰”，可把电子或质子推到近乎光速，在高速的相撞下产生粒子来。
总而言之，共振不仅是一种客观存在，它也是有待于进一步开拓的科技领域。共振技术普遍应用于机械、化学、力学、电磁学、光学及分子、原子物理学、工程技术等几乎所有的科技领域。如音响设备中扬声器纸盆的振动，各种弦乐器中音腔在共鸣箱中的振动等利用了“力学共振”；电磁波的接收和发射利用了“电磁共振”；激光的产生利用了“光学共振”；医疗技术中则有已经非常普及的“核磁共振”等。在21世纪开始的正在蓬勃发展的信息技术、基因科学、纳米材料、航天高科学技术大发展的浪潮中，更是大量运用到共振技术。而且随着科学的发展，可以预见，共振将会对我们这个社会产生更加巨大的“震荡”。
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