科學遊戲波動現形記

THE MERIT TIMES

文／許良榮 2014-09-03 10:00

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文／許良榮
吉他或小提琴等樂器的絃，在產生聲音時振動得相當快，但我們肉眼無法看出絃的振動情形。究竟絃的振動如何變成看得到的波動呢？國立自然科學博物館展示的「圓筒示波器」利用一個大滾筒的條紋，可以將吉他絃的振動呈現出看得見的波形，相當有趣。這個裝置頗為複雜龐大，很難自行製作，但我們可以利用簡單的材料達到同樣的效果喔！
所需器材：黑色鬆緊帶、木板、鐵釘、紙卡。
操作過程：
1取一長木板，釘上二根鐵釘相距約五十公分，再綁上黑色的鬆緊帶，鬆緊帶稍微拉緊即可，不要綁太緊。
2取一張黑色的西卡紙或海報紙，長約十公分，寬約五公分，以白色油漆筆每間隔一公分畫上一白色線條（圖一）。
3做好的黑底白線條紙卡，放在鬆緊帶下方，然後撥動鬆緊帶，讓鬆緊帶振動，同時來回移動紙卡，觀察紙卡上方是否出現波形？波形是否隨著紙卡的移動速度而變化（圖二、圖三）？
原理：
紙卡會產生波形，主要是因為「視覺暫留」，而不是鬆緊帶或絃的振動時的真實波動；亦即看到的波形是視覺暫留的假象，不是鬆緊帶（絃）的振動（產生聲音）的波形。如圖四所示，鬆緊帶的振動是上下來回振動，當下面的紙卡移動時，由於紙卡為黑色底，而黑色鬆緊帶在紙卡上方，因此我們只能看到白色線條部分的鬆緊帶（如圖五的紅色點）。隨著紙卡的左右移動，我們所看到的部分由於視覺暫留而形成如圖五的A、B、C、D的上下運動，由於鬆緊帶的來回振動相當快，因此在視覺上會形成波動的連續圖形。
由上述原理可知，我們看到的波形是因為視覺暫留而形成，因此波數（或波長），是由紙卡上白色線條的數目決定，與鬆緊帶的振動快慢沒有關係喔！
叮嚀：
1紙卡上白色線條的間距可以彈性調整，不過，間距愈密，線條就必須愈細，但線條太細，比較容易模糊不清。
2可以用橡皮筋取代鬆緊帶，但是必須將橡皮筋塗黑（使用簽字筆即可）。
3不使用鐵釘與木板也行，只要二人合作，一人拉橡皮筋，另一人移動紙卡就可以了。

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