浅淡对波的理解和运用的设想

东南大学大学物理课程论文-1-东南大学仪器科学与工程学院董元22011207浅淡对波的理解和运用的设想董元22011207（东南大学仪器科学与工程学院，南京211100）摘要：本文主要分两部分。一部分介绍了作者对经典物理中的波和近代物理中的波的区别的理解和认识。另一部分是作者对于波的利用的一些设想。关键词：经典波、光波、物质波、区别与联系、运用、设想OnTheUnderstandingandApplicationofWaveDongYuan22011207(SchoolofInstrumentScienceandEngieering,SoutheastUniversityNanJing211100)Abstract:Thisarticlehasbeendividedintotwoparts.Thefirstpartisabouttheauther’sunderstandingofthedifferencesbetweenthewaveinclassicalphysicsandthewaveinmodernphysics.Andthesecondpartisaboutsomeassumptionsoftheauthorkeywords:ClassicalWave,OpticalWave,MatterWave,DifferencesandRelations,Application,assumption.引言：波动是一种常见的物质运动方式。形形色色的波在我们的生活中无处不在。随着科学技术的发展，人们对波的运用也越来越广泛。作为一名大学生，基于我们所学，我们可以怎样进一步将它们运用到我们的生活中？又基于大学物理这门课程的学习，我们了解到经典波和近代物理中波是不同的，那么它们的不同到底体现在哪里？我们该如何理解这种区别与统一？1简述对波的认识理解波的共同特性是具有相干叠加性。无论是经典物理中的机械波、电磁波还是近代物理中的光波、德布罗意波都毫无疑问具有这一特性。从这一点上看，他们是统一的。而当我们说到“波粒二象性”时，却又会将这两种波区分开来，而教科书上也并未专门针对这一区分做出讨论和讲解。故基于大二上学期物理课程的学习，我将试着将我的理解做一个简单的整理与讨论。在开始这一讨论前，我认为我们应该明确一些关于波的基本知识。.1.1经典物理中的波经典物理中的波主要包括机械波和电磁波两大类。它们具有波动的共同特征，即都具有一定的速度并且伴随着能量的传播。不同的是机械波是由机械振动在弹性介质中传播而形成的，而电磁波是交变电磁场在空间传播形成的。1.1.1机械波机械波在弹性介质（固体、液体和气体）内传播东南大学大学物理课程论文2东南大学仪器科学与工程学院董元22011207就形成了机械波。机械波的传播需要特定的介质，在不同介质中的传播速度也不同。其中，波源可以认为是第一个开始振动的质点，波源开始振动后，介质中的其他质点就以波源的频率做受迫振动，波源的频率等于波的频率。1.1.2电磁波电磁波的本质是电场和磁场的交变激发和空间传播。电磁波（又称电磁辐射）是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面，有效的传递能量和动量。1.2近代物理中的波麦克斯韦电磁场理论的建立与确立，用一个统一的理论体系对宏观电磁现象进行了总结并且预言了电磁波的存在。通过对电磁波的研究，人们发现电磁波在真空中的传播速度与光速十分接近，它的一些特性与光波完全相同。那光的本质是什么，从量子物理的角度来说，我们可以认为光是由光子组成，故光是一种粒子的集合，而对光的衍射和干涉实验又无可置疑地证明了光具有波的某些特性。那么，这种具有“波粒二象性”的波，和经典波有什么本质上的差别呢？1.2.1光波光的衍射和干涉现象证明光具有波动性，而爱因斯坦的光电方程又完美地解释了光电效应，从而表示光具有粒子性。光是一种电磁波，也是一种概率波。1.2.2德布罗意波物质波，又称德布罗意波，是概率波，指空间中某点某时刻可能出现的几率，其中概率的大小受波动规律的支配。量子力学认为物质没有确定的位置，它表现出的宏观看起来的位置其实是对几率波函数的平均值，在不测量时，它出现在哪里都有可能，一旦测量，就得到它的平均值和确定的位置。1.3经典物理中的波与近代物理中的波的区别1.3.1从能量传递的角度从能量传递的角度来看，经典物理中波的传播都伴随着能量的传播。机械波中介质中的某一质点将振动状态传递给相邻的质点，电磁波传播过程中则是将磁场能与电场能由近及远地辐射出去。而对于近代物理中的波，由于本质上它们是概率波。虽然组成光波的光子具有能量，但在光波的传播中并不存在类似与经典物理中的一个光子的能量传递给另一个光子的过程。同理，物质波中也不存在一个实物粒子将能量传递给另一个实物粒子的过程。经典的波的能量将弥散到所传播的空间去；伴随着概率波的微观粒子的能量是不会弥散开来的。1.3.2从能量连续性的角度从能量连续性的角度来看，由于近代物理中研究的波具有“波粒二象性”，所以物质波和光波（光子能量E＝hν）所具有的能量是不连续的（总是单个粒子所具有能量的整数倍）。而经典物理中的波所具有的能量则是连续的。1.3.3从不确定性的角度来看从不确定性的角度来看，波粒二象性的“波”不同于经典的波，它是服从统计规律的概率波。经典的波动是一种运动形式，连续传播能量，在双缝干涉实验中，不管入射波强度如何小，经典的波在缝后的屏上都“应该”显示出条纹。经典波的传播相关参数在一定条件下是可以确定。而对于非经典的光波和物质波，在双缝干涉实验中，入射波强度减小到一定程度，在缝后的屏上却是一些点。这是因为概论波是指物质在空间中某点某时刻可能出现的几率，其中概率的大小受波动规律的支配。这是对微观粒子运动的统计描述。由不确定性关系可知：对于微观粒子，不能同时用确定的位置和确定的动量来描述。2波的应用以下是作者对于波的应用的一些设想。由于没有实验条件和缺乏相应的实践能力，故作者仅提出自己的一些设想。2.1关于电磁波刺激大脑的设想人的右脑的开发训练与波有很大的关系，人的脑波与宇宙的波共振或频率低于宇宙的波时，才能打开右脑的回路。人类的脑波分为四种：1.β波（14~30赫兹）：也叫“压力波”，在上课、活动紧张时出现。2.α波（8~13赫兹）：也叫“放松波”，在身心东南大学大学物理课程论文3东南大学仪器科学与工程学院董元22011207平静时出现。3.θ波（4~7赫兹）放松程度更深，在人将进入睡眠状态时出现的波，也叫“瞌睡波”。大脑处于这种状态时，脑内的荷尔蒙分泌旺盛。4δ波（0.5~3.5赫兹）：睡着时的脑波。以下是我们已知的一个机理：脑波诱导机理——科学实验证实，当外界对大脑进行刺激时，有可能诱使大脑从一个状态转变到另一个状态。比如当前大脑处于β状态(清醒状态)，如果我们用10Hz的声波刺激大脑一段时间，则脑电波就会向我们输入的频率转变，诱导大脑进入放松状态。利用这个机理，我们就可以对大脑的活动进行人为的干预，使其进入我们预设的状态。已有的事实告诉我们可以用声波来对大脑进行这一刺激。比如我们已知的巴赫音乐可以有开发右脑的效果，还有知道一些大脑控制武器可以直接刺激我们的大脑神经元，让我们可以通过大脑“看到”；“听到”；“闻到”；“感觉到疼痛”。受害者的感觉就是信息直接被强迫注入大脑。这里所说的“听到”，并不是我们真的听到了人们日常可以听到的声音便是20－20000Hz频率范围内的声波,而是他们发射的电磁波(或其他微波)刺激我们大脑中的听觉神经细胞,让我们的大脑感受到了他们的信号,听到了他们的声音。故不由得有这样的猜想：如果以诱发大脑放松为目的用电磁波来刺激人类的大脑，是否也有同样的或者是更好的效果？我们是否可以通过这种方式达到催眠或者是开发右脑的效果呢？当电磁波的频率和脑波频率相同，两者发生共振时，又会有怎样的现象发生呢？2.2波的应用与手机软件开发相结合我们现在可以看到市面上有一些右脑开发音乐，通过变频的方式，转换成与脑波共振的神经语言，再和3D环绕音乐去做压缩、混音处理，让语言在耳朵听不清楚的情况下，进入潜意识，“只须经过连续重复的聆听，就可以同时达到「开发大脑潜能、双脑同步学习」、「调整个性、稳定情绪」，还有「建立积极思考、强化自信心」的三大结果。”而联系到现在的年轻人日常生活几乎离不开手机这一事实，我们可以想到为什么不开发一款拥有这样功能的手机软件呢？我们可以设计一款软件，使它能够发出将能够有益地刺激大脑放松或者开发右脑的声波或是音乐。当我们疲劳或是需要放搜时，随时随地可以使用该软件来帮助我们的大脑迅速进入某种特定的状态。由此展开联想，我们还可以将波的应用与手机软件开发从而开发出更多有趣使用的小软件。设想我们可以开发一款运用共振原理来检测西瓜成熟度的手机软件。基本原理是根据西瓜成熟度不同轻敲西瓜发出的声音频率不同而判断西瓜的成熟度。可以根据实验统计确定西瓜成熟度达到最适合食用阶段，轻敲西瓜所发出的声波频率的一个范围，从而选择一个参考频率。当敲击西瓜发出的声波频率和参考频率共振或者在一定程度上十分接近，便可以判断西瓜成熟，适宜购买。同样还可以开发出针对一些乐器的调音软件等。这样的结合，我认为其最大的好处就是利用了现代人的生活基本离不开手机的这一特点，将一些物理学上的原理真正实用化，生活化。而且这样的结合不仅仅适用于手机，我认为也可以进一步推广到电脑、ipad这一类的电子产品上，从而开发出更多贴近生活的实用又有趣味的软件。参考文献格式：[1]张福林《经典物理和近代物理中的波与粒子》选自《物理教师》2009年第7期[2]东南大学等七所工科院校编《物理学》下册第五版.[3]一些名词解释参考百度百科