十佳居家DIY物理實驗優秀作品第五期——克拉尼圖形實驗

    十八世紀，德國物理學家恩斯特·克拉德尼進行了這樣的實驗，他在一個小提琴上安放一塊較寬的金屬薄片，在上面均勻地撒上沙子。然後開始用琴弓拉小提琴，結果這些細沙自動排列成不同的美麗圖案，並隨著琴弦拉出的曲調不同和頻率的不斷增加，圖案也不斷變幻和越趨複雜——這就是著名的克拉尼圖形。其原理是：均勻固體薄板在外界振源驅動下形成駐波產生的波結線圖案。後來在實驗時，我也常常驚嘆這位物理學家的奇思。

實驗的過程是一波三折的。我們迎來的第一個困難就是實驗器材，哪裡有合適的金屬薄板？哪裡有琴弦？感謝我的父親，我們在他的單位找到一塊鋼板，並請工人師傅幫我們切割成25cm*25cm*1mm的鋼板；接著向家中善樂器的親戚借來了琴弦，一切準備就緒，滿心歡喜地期待多種多樣的克拉尼圖形出現；然而，實驗的開始，我甚至連聲音都沒拉出來，嘗試了好幾次，當時心裡特別失望，後來由於不甘心又試了一次，終於有聲音了，原來是拉弦的力度太小，經過多次試驗，克拉尼板上終於出現了圖形，但我的力量不夠，父親的力氣大，而且有穩定且持恆的力量輸出，所以請他幫我拉弦，克拉尼圖形才逐漸變得規範，因為是居家實驗，沒有實驗室裡那麼優秀的器材，所以成果才更讓人欣慰。

    其實實驗還有做的不完美的地方，由於不太懂得如何改變聲音的頻率，所以實現的克拉尼圖模式很少。當時我向老師請教如何改變頻率，老師給了我許多建議：包括改變弦的鬆緊，調節弦長，給琴弦上松香等等，這才讓我們有了從兩個圖案到四個圖案的進展。我們工大的物理老師真的很有耐心啊！只要在QQ群裡提問題，很快就能收到答覆；有些時候問一些很基礎的問題，老師也很有耐心回答。老師們仿佛住在QQ群裡，時刻關注每個同學的問題。

    克拉尼圖形在生活中也有一些應用，電聲樂器如小提琴、吉他和大提琴的設計和施工上都會用到。20世紀以來，用於電子信號發生器，實現了更精確的可調頻率驅動的揚聲器。

    克拉尼圖形讓我看見聲音之美，讓我發現物理對於我這樣的普通學生、非物理專業的學生而言不僅僅是印刷在教科書上的理論，也是生動的、美麗的世界；我想，通過這次實驗，我增強了自己的物理素養、動手能力，也增進了與家人之間的親密度，這也許就是居家實驗的魅力。