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衝啊!音速小子—淺談音爆及光爆

金延儒
・2015/08/11 ・2747字 ・閱讀時間約 5 分鐘
Sonic
Source: wiki

「誒誒誒!音速小子,快點停,你再衝就要掉下懸崖了啊!!」,在懸崖邊的你緊張的說。

「蛤蛤蛤~~~什麼~~~我聽不清楚你在講什麼!!我的耳膜快破啦!!」,你聽到音速小子在一個他最擅長的360度旋轉的最高點說出這句話,伴隨著巨大的聲響,然後迅速的往下俯衝,略過你……

接著就像迪士尼動畫會有的橋段,他在懸崖外騰空了整整一秒鐘,一聲不響地,華麗退場。

事實上,這是你最後一次聽到他的聲音、見到他的身影。在悲傷的同時,你也想著:「為什麼他不聽我的話呢,為什麼!!!!還有他最後那句話是什麼意思?」

或許,就怪他被稱作「音速」小子吧。

(故事為劇情需要,純屬虛構)

音速小子到底怎麼了?

當然有很多可能導致上面這個故事發生。首先,音速小子可能像很多人一樣習慣邊跑步邊聽音樂,又剛好你叫住他的那一刻因為他放的音樂太大聲讓他耳膜快破了,所以也沒聽到你的聲音,造成悲劇的發生。

但是根據你的說法:那一刻,你聽見了巨大的聲響,大到應該不會是耳機發出來的。那麼我會推斷是因為音速小子正經歷因為超音速所帶來的「音爆」現象。

要了解音爆,我們先來看看超音速的歷史吧。1903年萊特兄弟成功完成了第一次人類的動力飛行,在那一次飛行中,他們用12秒的時間飛行了36.5公尺,時速是每小時10.9公里,這雖然是一個小學生跑步都能追上的速度,但這可是劃時代的重要事件。接著我們把時間快轉到二戰,戰爭的危急狀態讓人類的飛行技術突飛猛進。到戰爭末期,最優良的飛機甚至可以達到時速700公里以上!根據紀錄:當時就有飛行員在俯衝,接近音速飛行時,感受到不穩定的搖晃,甚至也有因此操作失當而機毀人亡的紀錄。

事實上,人類史上第一次的超音速飛行是在1947年10月14日完成的,24歲的查克·葉格(Charles Elwood Yeager)成為第一個飛得比聲音快的人,他在12800公尺的高空,使飛行速度達到每小時1078公里,相當於1.015馬赫[註二][註三]。在當時要突破音速,有許多地方有待當時的科學家突破,其中一項就是音爆的問題。

FA18
FA-18大黃蜂戰機以接近音速的速度飛行 Source: wiki
Sound boom
source: wiki

究竟什麼是音爆呢?簡單來說,音爆就是:當物體的速度,超過它所發出聲音的速度時,周圍的空氣會產生一個壓力非常大的錐狀區域(被稱為馬赫錐),造成氣流的不穩定,然後巨大的壓力差會產生巨大的聲響,就像上圖及左圖的示意圖這樣。順帶一提,子彈飛行產生的聲響也是音爆的例子之一。

哎呀,只不過老實說,超音速飛機與我們的日常生活確實有點遠,可能有點難想像,但其實這個現象在日常生活中也不難觀察到。

從湖面看音速小子的悲劇

大家都有在湖邊玩耍、看看大自然的經驗吧,看著湖面上自由自在悠游的水上動物們,恨不得自己也長了個蹼,能夠跳下去跟著他們一起游泳,把心理的壓力一掃而光。

鴨子游泳產生的水波紋

讓我們觀察一下那隻鴨子身後的水波,事實上,因為鴨子的行進速度比水波的波速還要快,所以在它的後面會有三角狀的水波紋產生。

對應超音速飛機音爆的例子:因為飛機的行進速度比聲波的波速還要快,所以在機身後面會有錐(因為聲波是向四面八方傳遞)狀的衝擊波產生

有沒有覺得兩句話很像呢?確實,以上所說的兩個現象基本上是源於同一個物理概念。

知道了音爆 那你知道還有光爆嗎

光爆聽起來……怎麼那麼……像什麼會把人燒掉的恐怖武器啊!

別亂想。光爆其實就是上面兩個現象的延伸,只不過這次不是發生在聲音,也不是發生在湖面,而是光!

光爆這個現象是由1934年由蘇聯物理學家契忍可夫(Pavel Alekseyevich Cherenkov)發現的,正式的名稱叫做:契忍可夫輻射Cherenkov radiation),有的人會稱呼他為光爆,這種輻射的特點就是:很美的藍色輝光

Cherenkov radiation
Source:Wikipedia

聰明、好奇的你想了一下,說:「你別騙人了,愛因斯坦的狹義相對論告訴我們:一個物體的速度不可能比他所發出來的光還要快!」

事實上,這個現象的確沒有違反愛因斯坦偉大的狹義相對論。只不過他們用了一個小技巧:這個實驗不會是在真空或者是空氣中這些光行進很快的地方進行, 他們把整個實驗放到一些光跑得比較慢的地方(例如在生活中常見的水中,光的行進速度只剩下原本的大約四分之三),如此一來,科學家們就可以利用加速器,把粒子加速到比他自己發出的光還要快的速度,接著才能順利觀察到這個現象。

在金屬表面產生的光爆

surfingawake
Source: phys.org

2014年,哈佛大學的研究團隊又有了新的突破,他們成功製造出跟光爆類似的現象,只不過這次的波是行進在金屬表面,以一種被稱為表面電漿子(Surface plasmons)傳遞,他們把這個現象叫作”Cherenkov surface plasmon wakes”。

這個實驗室的教授,費德里科·卡帕索(Federico Capasso)說:「傳統的光學研究成果讓我們製造出全像圖、Google Glass、 LED燈等等的科技產品;但在未來,奈米光學Nanophotonics)將會是奈米科技的一項重要領域。這次研究成果讓我們更有能力能控制奈米尺度下的光。」

在裡面的研究生,同時也是這篇論文的第一作者丹尼爾(Daniel Wintz)說:「要能夠在比光的波長還小的尺度下控制光是一件非常困難的事情。重要的是我們不但成功製造、觀測到這個現象,更找到了幾個不同的方法來控制它。」

不只是產生這個現象難,就連要觀察也很難,因為事實上,表面電漿子是看不到的,研究團隊必須想辦法把表面電光子從金屬表面“抽”出來,然後經過光纖,才能紀錄到影像。

所以說,其實從水波、聲波一直到光波以及以表面電漿子傳遞的波,這些不同樣貌的現象其實都是同一個物理現象所主導,只是我們平常沒有發現其中的關聯性而已!

備註

  1. 維基百科-萊特兄弟
  2. 1馬赫為一倍的音速,詳見維基百科-馬赫
  3. 這個紀錄有些許爭議,見維基百科-查克·葉格,但不管如何,葉格無庸置疑是第一個在有計劃性、嚴密監控的情況下,靠著飛機自身的動力而實際且確實地突破音障的人類。

參考文獻

  1. Surfing a wake of light: Researchers observe and control light wakes for the first time
  2. Controlled steering of Cherenkov surface plasmon wakes with a one-dimensional metamaterial Nature Nanotechnology [2015]

 

 

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金延儒
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編輯實習生,正在辛苦的念電機系。一直不了解自己以及整個世界,所以一直好奇著。雖然身處在一個物質爆炸的時代,但相信人與人之間的情感才是最真實可貴的。

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「數」養生活就從今天開始!談談數學教育的跨領域思維 ft. 數感實驗室賴以威老師【科科聊聊 EP.58】

PanSci_96
・2021/09/24 ・2816字 ・閱讀時間約 5 分鐘

賴以威老師近年來不餘遺力的推廣數學教育,他與數感實驗室的團隊前進校園,設計好玩好學的國小實驗課、以身作則的舉辦教師研習、還配合國中課業需求推出必修課與題本,業務早已超過數感實驗室剛成立時的規模。一路走來雖然秉持一貫的教育理念,但在教育現場實現了多少?改變了什麼?本集泛泛泛科學邀請賴以威老師談談數學教育的探究、實作與跨領域思維!

不餘遺力地推廣數學教育的賴以威老師。圖/賴以威 提供
  • 02:03 數感實驗室的數學教育

數感實驗室」一開始是賴以威老師與太太 Stacy 於 2016 年成立的粉專,主要刊登數學文章,不過後來發現都是大人在看,粉專並沒有適合小朋友的數學教育,夫妻倆便著手開發好用、好學、好玩的數學課程,從知識切入,跨領域整合數學、科學、歷史、人文、藝術等領域。

延伸閱讀:數學風箏│巨大化,正四面體風箏!在家防疫DIY【數學實驗課】國小數學實驗課 秋季視訊班

開發好玩又好學的數學課程。圖/賴以威 提供
  • 05:50 以威老師如何做到跨域整合?

以威老師表示最原始的動力當然是興趣使然,除此之外還跟他在博士班培養出來的能力有關:研究方法、定義問題、找資料、實現概念,這些能力不僅限於研究,更一路演變成他後來從事科普的技能。下關鍵字、判別可信度、延伸搜尋、產生內容…這些都需要經驗累積。「只講科學不講故事很可惜」,他認為科普內容都要帶出科學背後的意義,所有科學事件都是一個故事,可以多面向探討,自然而然的做到跨領域。

  • 11:20 108 課綱期望學生達到的素養是否太強人所難?

以威老師坦承 108 課綱講求的探究活用精神是他到研究所才掌握的能力,這樣要求國高中生似乎其困難。但是以前的教學觀念不一定要蕭規曹隨,小孩能否學會什麼都是可以討論的,「探究活用」是看待知識的態度,的確有可能在國高中階段就學會。

延伸閱讀:數感盃

  • 16:12 我們該以什麼態度看待新課綱?

如果我們把新課綱定義為培養好奇心,為了滿足好奇心,學生必須主動探究知識,而不是被動學習。好奇心就是這個時代學習的重要因素。當課堂不再是知識的唯一管道,老師不一定得擔任教學角色,當老師必須做的事變少了,引導學生、培養好奇心、探究實作與活用顯得更重要。

老師不一定得擔任教學角色,引導學生、培養好奇心、探究實作與活用顯得更重要。圖/賴以威 提供
  • 18:21 實務上有這麼理想嗎?

在數感實驗室舉辦的教師研習中,團隊遇過非常積極的老師、也遇過只習慣過去教法而否定新教法的老師,賴以威覺得這都在所難免,數感只能做更多研習,讓更多老師認同教學理念,並提供材料幫助老師無痛轉換。而家長與孩童方面,偶而也會有人反應都沒算到數學題目,對新教法不甚理解,這些都需要慢慢溝通。參與新課綱的人很多:老師、家長、學生、政府、大學、民間團體…我們都需要勾勒出共同的理想。

  • 23:55 何謂「數感」?

團隊認為數感分成「察覺關聯」與「應用數學分析決策」兩個層次。對不熟悉的人來說還是要輔以大量舉例才有機會了解,對孩童來說得花更多時間領會。所以團隊鼓勵大家來參加數感實驗室的活動,從機器人輸入輸出的參數體會函數概念、蓋紙房子學習錐體柱體與建蔽率、還有這次的四面體風箏與曲線刺繡都是數感的一種!

追蹤:數感活動

孩童正製作的四面體風箏也是數感的一種!圖/賴以威 提供
  • 28:10 人人有數感

Uber 饗食方案划算嗎?集點卡可以省多少錢?股票會賺嗎?人們平日的決策過程都是數感的表現,但是很多人卻把自己會的數學當作常識,自己不會的數學當做數學。其實,只要有算就是數學,意識到更多生活方面都可以應用數學還可以幫助我們過更好的生活。當你不排斥其他領域,就能夠處理更多知識、解決更多問題。

  • 31:57 教學理念與升學表現的平衡

一昧在教學中強調好奇心又太過理想化,尤其國中生有升學壓力必須顧及學業表現。數感團隊也在拿捏,從強調好奇心的數學課向升學的方向靠攏。像是數感的國中課程就有許多建立數學情境的素養題目:講求平均值的區間測速、二十進位的瑪雅數字、正負數計算高鐵票價,這樣同時培養了探究實作的素養也搭配學校課程幫助課業表現。

延伸閱讀:不需要測速照相機就能抓超速?區間測速原理大解析- PanSci 泛科學

  • 38:13 數感實驗室的課程設計

數感實驗室目前堆出的課程有國小與國中兩種,國小數學實驗課以引發好奇心為主,國中必修課與生活情境連結幫助課業提升。

其中九年級非選實戰題考驗著把文字轉換為數學問題的能力,是學生最缺乏也最難教的,甚至很多高中生都還再學習。從這點來看,有老師認為七年級題本也可以給高中生做。當然數感也希望盡快開發出對應完整學程的課程讓所有學生直接使用。

另外題本也可視為科普文章,大人也可以寫喔。y 編回憶起學生時代的題目才發現都沒搞懂,因為以前的教學沒有連續的思維養成,希望現在的題本可以整合以前學習的片段知識。

  • 43:12 更多關於數感的資訊

追蹤數感實驗室官網,獲取精選文章、影片、課程與活動資訊、題本、還有賴以威老師親簽書籍喔!

節目的最後,以威老師也分享疫情期間的線上課程其實比較辛苦,但有些功能如軟體模擬、分組、Jamboard、延伸閱讀等等也是實體課程做不到的。另外線上課程不限地點皆可參加,連家人都可旁聽,這些特性都必須好好把握的。


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