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高中物理声波:它如何像魔法一样‘穿墙’过真空?

2025-12-05 15:31:40辅导探讨0

声波隧穿效应9BY物理好资源网(原物理ok网)

我们都清楚,声波属于一种机械波,它得有一个物质介质用以传播 。要是没有介质,声波便无法存在,也不能传递能量 。这如同我们在真空中没法听到声音那般 。那么,要是两个物体之间存在一个极小的真空间隙,声波能不能从一个物体传导至另一个物体呢 ?这看上去好像是不可能的,因为声波在真空中会衰减至零 。然而,有一种特殊物质,称作压电材料,它能够让这种看似不可能的事变为可能 。9BY物理好资源网(原物理ok网)

高中物理声波9BY物理好资源网(原物理ok网)

有种材料叫压电材料,它能把机械应力转成电场, 再者能将电场转成机械形变。有个声波在压电材料里传播, 随之会产生个相伴的电场。所产生的这个电场,不在材料内部受限,而是会延伸到材料表面外部, 且随距离增加呈指数衰减。就如同电磁学里所学到的, 有个平面电磁波在导体表面反射, 会产生表面电流以及表面电荷密度。这些表面电荷会产生向外延伸的衰减电场。9BY物理好资源网(原物理ok网)

要是我们把两块压电材料放置得十分靠近,致使它们之间的真空间隙小于声波的波长,那么从一个材料发出的声波所产生的衰减电场就有能够足够强,强到足以影响到另一个材料的表面电荷,还能激发出另一个声波。这就如同声波穿过了真空间隙,达成了一种隧穿效应。这种效应并非依赖于任何量子力学的原理,而是完全由经典的机械和电磁理论来描述。9BY物理好资源网(原物理ok网)

完全隧穿条件9BY物理好资源网(原物理ok网)

高中物理声波9BY物理好资源网(原物理ok网)

那么,于怎么样的条件之下,声波能够全然地从一个压电材料传导至另一个压电材料呢?换句话说,于怎样的条件之下,出自一个材料的声波能量等同于进入另一个材料的声波能量呢?这便需求我们去考量两个压电材料之间的匹配问题。9BY物理好资源网(原物理ok网)

我们得先留意到,并非所有种类、方向的声波,都能于压电材料里引发显著的电场效应。唯有那些跟晶体对称性适配,且具备横向分量(也就是垂直于传播方向)的形变或者应力的声波,才可有效地耦合进电场里。这些声波被称作压电活性声波。比如说,在有六方对称性(像锌铁矿石)的压电材料中,只有顺着六角轴方向传播的横波才是压电活性的。所以,我们若要达成声波的隧穿效应,就得挑选适宜的压电材料以及声波的极化与传播方向。9BY物理好资源网(原物理ok网)

首先,我们得明白,不是任意频率那种声波,都能在两块压电材料之间达成完全隧穿的情况。只有在两块材料的声波阻抗,也就是声波于材料里传播所遇阻力相等或者相近的时候,才可以避开声波在界面处的反射景象,并且确保声波能量获得最大程度的传输。这情形就如同我们在光学领域所学一般,当光从一种介质进入另一种介质时,要是两种介质的折射率相等或者相近,那么光就不会产生反射贝语网校,而是会完全地透射。所以,我们要是打算达成声波的全然隧穿,那就非得挑选恰当的压电材料以及声波的频率才行。9BY物理好资源网(原物理ok网)

要是达成了这些条件,那么声波能够从一块压电材料完整地传至另一块压电材料,且不会出现任何反射或者衰减。这就被称作声波完全隧穿效应。9BY物理好资源网(原物理ok网)

实验验证9BY物理好资源网(原物理ok网)

高中物理声波9BY物理好资源网(原物理ok网)

那么,这种效应是不是确实存在着呢,有没有人开展过实验去验证呢,答案在于肯定的高中物理声波,在一篇新近发表的论文里,作者运用了两种不一样类型的压电材料,锆钛酸铅,也就是PZT,以及锆钛酸锶,也就是PST,它们都具备四方对称性。作者选取了顺着四方轴方向传播的横波当作压电活性声波,并且对声波的频率以及两个材料之间的真空间隙进行了调节,从而让它们满足了完全隧穿条件。9BY物理好资源网(原物理ok网)

高中物理声波9BY物理好资源网(原物理ok网)

有一位作者,运用了一个超声换能器高中物理声波,其作用是产生声波,同时也用于接收声波,并且还对声波在两个材料之间的透射系数做了测量,这里所说的透射系数,指的是进入另一个材料的声波能量与从一个材料发出的声波能量的比值。这位作者通过测量发现,在某些特定的频率的情况下,透射系数接近于1,这意味着声波几乎能够完全地从一个材料传导到另一个材料,而且不存在任何损失。这一现象就是在实验上所观察到的声波完全隧穿效应。9BY物理好资源网(原物理ok网)

应用前景9BY物理好资源网(原物理ok网)

这种效应究竟能起到怎样的作用呢?作者表明,这种效应能够用于制造一类全新的超声换能器,该换能器能够在不同种类以及不同形状的压电材料之间达成高效的声波传递。于是乎,换能器的灵敏度以及灵活性得以提升。除此之外,这种效应还能够用于制造一种新型的声波隔离器,该声波隔离器能够在不同频率的声波之间达成选择性的透射或者反射。如此一来,便实现了声波的调制以及滤波。9BY物理好资源网(原物理ok网)