共振的現象

在坐公交車的時候，你有沒有遇到過這樣一種情況：整輛車突然間劇烈地振動起來，大有散架的趨勢？在用洗衣機洗衣服的時候，你有沒有發現洗衣機也會突然間急劇地振動起來？這都是共振現象的表現。如果你細心觀察，還能在生活中發現很多這種現象。早在古代，這種現象就被人們注意到了。關于共振現象，還有一個有趣的小故事。

唐朝時，洛陽寺院里有一個奇妙的磬。磬作為一種打擊樂器，本來應該在敲擊下才會鳴響，可是這個磬非常奇怪，它經常自己就鳴響起來。這件事把負責管磬的一個和尚嚇出了病。恰巧這個和尚有一位愛好音樂的朋友，叫曹紹夔。他得知這件事后，就特意去看望這個和尚。事也湊巧，這時隨著寺內的鐘敲響，和尚的磬又自己鳴響起來了。曹紹夔一下子就看出了其中的奧妙，他對和尚說：“明天就可以給你除去‘妖怪’，治好你的病。”并且還半開玩笑要和尚好好招待自己一頓。

第二天，曹紹夔按時赴約，來到寺院，吃飽喝足后，曹紹夔用先前帶來的銼刀在磬上銼磨了幾下，從此以后這只磬非常聽話，再也不不敲自鳴了。后來，和尚的病也好了。和尚就向他朋友打聽這是怎么回事。曹紹夔向他解釋道：“你的這個磬和寺里的鐘的振動頻率剛好是相同的，當敲鐘時，由于共振的原因，這個磬也就自己振動起來，不敲自鳴現象就是這樣產生的。我雖然只把它銼去一點，但由于改變了它的振動頻率，所以它就不能和寺內的鐘共鳴了，原先的特異功能也便消失了。”原來，在自然界中如果兩個物體振動頻率相同，共振的現象便會產生，如果是發聲物體，就會產生共鳴。人們正是巧妙地利用了大自然的這種原理來辨聽遠處微弱的聲音的。

我國古代在軍事上運用共振原理的事例非常多。比如兵臨城下時，為了監視敵人的動向，監聽敵人是否在城墻下挖地道，每隔一定距離就在城墻里面的地下挖下深坑，然后在坑內埋上蒙著皮革的大甕。這樣蒙上皮革的甕便成為了共振器。士兵通過在甕口聽聲音就能夠判斷敵人的動向。一旦從甕口聽到聲音，就能確知敵人在挖地道攻城，甚至攻城的方向和位置也可以確定。明代名將戚繼光在抗擊倭寇時，把長竹去掉節，埋在地下讓士兵聽筒口，及時地發現和消滅了倭寇，也是利用了共振的原理。

在現代生活中，運用共振的例子更是數不勝數，大夫用的聽診器、收音機里的調頻、音樂家使用的琴等都是對這一原理的巧妙運用。在工業生產中還可以應用共振原理來進行振動檢測、振動焊接、振動去渣及用激振器消除金屬內部的殘余物等。

赫茲捕捉電磁波

電磁理論的建立是一項系統而又繁復的工程，它的完善幾乎耗盡了幾代科學家的心血。法拉第為其奠定了堅實的基礎，麥克斯韋（英國物理學家，1831～1879年）最早預言世界上有電磁波的存在，而赫茲則是向世界推廣麥克斯韋的理論并使其得到世界公認的科學家。

1857年，亨利希·赫茲誕生于德國漢堡一個中產階級家庭里。中學畢業后，他繼續在德累斯頓高等技術學校學習工程學。當時，他的理想是成為一名建筑工程師。1877年秋天，赫茲在柏林鐵道兵團服役滿一年退伍后，進入慕尼黑大學，繼續攻讀工程學。在此期間，赫茲選修了著名物理學家菲利浦·馮·約里的物理課和數學課。教授授課深入淺出，非常生動，使赫茲獲益匪淺。從此以后，赫茲對物理和自然科學產生了濃厚的興趣。

為了能聽到著名的數學家亥姆霍茲和物理學家基爾霍夫的課，赫茲申請轉入柏林大學學習。很快，這兩位老師就將赫茲視為自己的得意門生，并決定從各方面對其進行培養。

1880年3月，赫茲獲得了柏林大學博士學位，隨后在亥姆霍茲研究所做了兩年半助手。此時正值麥克斯韋發表了電磁場理論。下面介紹麥克斯韋的電磁場理論的主要內容。

變化的磁場產生電場。在變化的磁場中放一個閉合電路，電路里將會產生感應電流（圖1），這就是我們所說的電磁感應現象。麥克斯韋從場的觀點研究了電磁感應現象，認為電路里能產生感應電流，是因為變化的磁場產生了一個電場，這個電場驅使導體中的自由電荷做定向的移動。麥克斯韋還把這種用場來描述電磁感應現象的觀點，推廣到不存在閉合電路的情形。他認為，在變化的磁場周圍產生電場，是一種普遍存在的現象，跟閉合電路是否存在無關（圖2）。

變化的電場產生磁場。既然變化的磁場可以產生電場，那么變化的電場是否也可以產生磁場呢？一個靜止的電荷，它產生的是靜電場，即空間各點的電場強度將隨著時間而變化。另一方面，運動的電荷在空間要產生磁場。用場的觀點來分析這個問題，就可以說：這個磁場是由變化的電場產生的。例如在電容器充放電的時候，不僅導體中的電流產生磁場，而且在電容器兩極板間周期性變化著的電場也產生磁場（圖3）。

變化的磁場產生電場，變化的電場產生磁場，這是麥克斯韋理論的兩大支柱。按照這個理論，變化的電場和磁場總是相互聯系的，形成一個不可分離的統一的場，這就是電磁場。電場和磁場只是這個統一的電磁場的兩種具體表現。

遺憾的是，該理論在當時并沒有得到社會的承認，甚至遭到了一些人的公開非難。1879年，亥姆霍茲以“用實驗建立電磁力和絕緣體介質極化的關系”為題，設置柏林科學院懸賞獎金，希望通過實驗證明麥克斯韋的理論。

赫茲參與了這一課題，花費了幾年的時間，對有關電磁波的各種不同的觀點進行了深入的研究與分析。為了深入研究“電火花實驗”，赫茲做了大量的比較和鑒別工作，在此基礎上他精心設計了一個電磁波發生器，想通過一系列實驗證實麥克斯韋曲高和寡的電磁場理論。

赫茲首先在2塊邊長為0.4米的正方形鋅板上分別接上2個0.3米長的銅棒，然后在銅棒的一端又焊上一個金屬球，讓銅棒與感應圈的電極相連。通上電后，只要2根銅棒的金屬球相互靠近，就會有電火花產生，并從一個球跳到另一個球。這些火花說明電流是循環不止的，在金屬球之間產生的高頻電火花便是電磁波。根據麥克斯韋的理論，電磁波由此就能被送到空間去。

赫茲為證明該理論，又制作了一個電波環，以捕捉這些電波，確定它能否被送到空間。顧名思義，電波環是一個環狀物，是用粗銅線彎成的，環的兩端有2個小金屬球，球的間距可以調整。赫茲就是用這個裝置來接收萊頓瓶輻射的電磁波的。小金屬球之間一旦產生火花，就表明接收到了電磁波。在實驗中，只要改變金屬球的間距，就可以調整接收天線的諧振波片，而諧振的時候，火花就產生了。赫茲把這個電波環放到離萊頓瓶10米遠的地方，當萊頓瓶放電時，果然不出所料，銅絲線圈兩端的銅球上產生了電火花。赫茲解釋道，電磁波從萊頓瓶發出后，被電波環捕捉住，也就是說，電磁波不僅產生了，還傳播了10米遠。

1887年，赫茲完成了一篇題為《論在絕緣體中電過程引起的感應現象》的論文。他在論文中對以往有關電磁波的研究成果進行了總結，并以實驗的方法證明了麥克斯韋的電磁場理論。這篇論文很好地解答了亥姆霍茲提出的懸賞難題，并因此而榮獲柏林學院的科學獎。赫茲用自制的簡易儀器有力地證實了麥克斯韋深奧的電磁場理論。

自此以后，赫茲開始專門研究電磁波，還對電磁波的傳播速度作了測量。實驗時，他選擇了一個特殊的教室，該教室長15米、高6米、寬14米。赫茲把一塊4（米）×2（米）的鋅板安裝在了離波源13米處的墻面上，當電磁波從波源發射出來，經鋅板反射后，便在空間形成了駐波。赫茲首先用檢波器對電磁波的波長進行檢測，接著根據直線振蕩器的尺寸計算出電磁波的頻率，最后通過駐波法計算出了電磁波的傳播速度。赫茲于1888年1月發表《論電動效應的傳播速度》一文，文中提出了電磁波在真空中的傳播速度同光一樣快。

接下來，赫茲又進行了電磁波的折射、反射、偏振等一系列實驗。實驗證明，同光波一樣，電磁波同樣具有折射、反射和偏振等物理性質。

赫茲不僅是一位嚴謹的科學家，還是一位極負責任感的老師。1893年12月，作為波恩大學的教授，赫茲抱病堅持上完了他一生中的最后一堂課。第二年元旦，年僅37歲的赫茲便因病去世了。

為了紀念這位年輕的科學家為人類做出的貢獻，人們以他的名字來命名“赫茲矢量”、“赫茲波”、“赫茲函數”等物理學概念，并以“赫茲”作為頻率的單位。