【文╱林志鴻】
●考考你╱想把玻璃震碎 用高音？用低音？
課堂上和學生討論聲音特性時，談到響度、音調及音色與波動的關係，喜歡引導學生由此思考：
如果要把玻璃震碎，要用超高頻率的超音波呢？還是用超重低音？
我會對著窗戶的玻璃一邊尖聲尖叫地說：「是高音呢？」
再突然把音調降得很低，對著窗戶的玻璃邊搖邊說：「還是超低音呢？」
窗戶被我搖得嘎嘎作響……
孩子們總會被我表演高音或低音的敘述給誤導，而回答高音或低音！大部分孩子會回答高音，可能是因為影視節目裡的女高音總是發出很高很高的聲音把高腳杯震碎的印象，所以孩子們認為高音才會把玻璃震碎。
我讓孩子們互相交流一下自己的想法或意見，等到大家都靜下來後再公布正確答案。
正確答案是：要夠大聲，而不是高音或低音。震碎玻璃需要的是能量，而聲音的響度才是能量，所以震碎玻璃的首要條件是要夠大聲才對。
●再想想╱高低音震碎玻璃 模式會不同嗎？
璃震碎，那麼高音和低音震碎玻璃的情況會有什麼不同嗎？
台下鴉雀無聲，在孩子們的生活經驗裡很難推論出正確答案。這是個很好的切入點，我先把孩子們的心懸起來，讓他們有個動機想知道：頻率高低不同的聲音對玻璃的破壞有什麼差異性。
首先我用繩波來說明。如果我甩動繩子的頻率很慢，就會形成紅色的波動；甩動的頻率愈來愈快，就會向紫色的波動靠近。
對玻璃用低頻震動時，一個波峰帶著足夠的能量抵達，到下一個波峰來臨前還有一段比較長的時間，所以玻璃會自己振動，而且是整片玻璃都在振動。有點像地震來時，把整片玻璃一起震碎。我會搖著窗戶說明這個現象。
但用高頻震動時，第一個波峰到達玻璃，玻璃被壓下去，還沒有彈回來，第二個波峰又來了，所以玻璃會被壓得更深，接著第三波又來，這樣的情況就像用針刺進玻璃一樣，愈刺愈深，最後把玻璃刺碎。我會用手指頭壓著窗戶的玻璃，愈壓愈用力。
這兩種破裂的方式不同，低頻震動把玻璃震碎後的碎片比較零碎；高頻震動的碎片比較像從玻璃的一個點裂開後而破碎，就好像用針去刺到玻璃比較脆弱的點，從那個點破裂後再向四面八方裂開來。
也可以想像成拳擊手（震波）打不倒翁（玻璃）的情況：
如果拳擊手出拳比較慢（低頻震波），第一拳打到不倒翁後，不倒翁自己搖動好幾下之後，才會有第二拳過來。
但拳擊手出拳很快的話（高頻震波），第一拳打到不倒翁之後，不倒翁還沒起來，第二拳又到，然後第三拳又到，就會感覺不倒翁好像是直接被推開的，而不是被振動開的。
●告訴你╱頻率愈高的波 穿透力愈強
我們可以從這個現象得到一個很重要的結論：頻率愈高的波，穿透力愈強。
醫院利用超音波檢查人體內臟或胎兒的情況，就是利用高頻率的聲波來透視人體或胎兒的原理。
聲波具有這樣的特性，電磁波也是。頻率愈高、波長愈短的波，穿透力就會愈強。利用電磁波來透視人體，第一個想到的當然就是X光了！X光產生的影像比超音波的影像還要清晰，但X光不能久照，因為對人體或胎兒有害。
●要注意╱紫外線可穿透真皮 太陽曬久皮膚變黑
人類眼睛看得到的光稱為可見光：波長由長到短的順序是紅橙黃綠藍靛紫。波長比紅光長的就稱為紅外線，波長比紫光更短的，就稱為紫外線。要注意，波長愈短代表頻率愈高，穿透力愈強。所以紫外線的穿透力比可見光及紅外線還強，紫外線的穿透力不但可以穿透皮膚，且直達真皮層，但人體的皮膚會分泌黑色素吸收紫外線來保護深層的組織，太陽曬太久皮膚變黑就是這個原因。
再回頭來看比紫外線波長更短的X射線，穿透力更強。回想自己當年第一次「照電光」（台語）時，胸腔緊緊靠著機器，根本沒看到任何光線，檢驗師把門一關，再打開就說照好了，過程不到3秒鐘。眼前那張胸腔的X光片，自己也認不出來，原來自己胸口裡長得這樣呀？現在只要Google一下，可以看到很多X光片，早已見怪不怪。X射線是現代醫療不可或缺的重要技術。
●小故事╱第一張Ｘ光片 實驗室意外產品
到底第一張X光片是怎麼出現的呢？右圖是侖琴夫人手骨的X光片。這張相片在當時可是轟動一時的奇蹟。
X射線的誕生可追溯自陰極射線管，研究陰極射線必須具備兩個重要條件：真空技術及高壓電。這兩種技術在19世紀末水到渠成：在接近真空的玻璃管內，置入分開的陰陽兩電極，再通以高壓電，強迫電子由陰極發射出來，產生特殊的淡綠色螢光。
德國科學家侖琴進行陰極射線管研究時，想要研究陰極射線發出的螢光有沒有透光的效果。他想到可以在暗室裡，用黑紙把陰極射線管包裹起來，在完全黑暗的實驗室中進行實驗。令人意外的是，通電後，被黑紙包裹的陰極射線管沒有任何漏光現象，反而在實驗設備旁的螢幕（塗有氰亞鉑酸鋇的螢光物質）竟然發出微弱的光芒，斷電後，螢幕發光的現象就消失了。這個現象根本不在侖琴的觀測範圍內，卻反而引起侖琴濃厚的興趣。
侖琴反覆觀察這個實驗。當他移動螢幕靠近陰極射線管，竟然看到自己的手骨映在螢幕上！侖琴決定要守口如瓶這驚人的一幕，等到研究有成果之後再慎重發表，不然看見手骨的現象恐被其他人視為妖魔鬼怪。
侖琴可以確認的一件事：這種讓人看不見的光一定是從陰極射線管發射出來，是電磁波的一種，可以穿透黑紙而讓螢幕感光，也能穿透人體，在螢幕上留下手骨的痕跡。但因為性質及產生的機制都不清楚，所以侖琴把這種未知的光線稱為X射線，從此以後，這個名稱就一直沿用下來。
●看成因╱電子撞擊金屬靶 減速放出電磁波
現在的高中物理課都會談到這段科學史，教科書裡很清楚演示，電子受到高壓電加速後，撞擊到金屬靶，突然減速而放出電磁波，這就是X射線的成因。試想侖琴的那個時代，連電子都還妾身未明，他怎麼可能了解其中的奧妙呢？他在實驗室裡反覆觀察，長時間曝露在X射線的環境中，其實是很傷身的，當時的科學家也不懂其中的關鍵因素，一直累積到足夠的數據才知道，原來X射線對人體的殺傷力這麼大！
1895年11月8日，侖琴發表X射線的初步報告，至今已過了126個年頭。這篇初步報告裡說明他發現X射線的歷程，當時造成極大轟動。當然，侖琴遵守德國科學家的優良傳統，所有發現和發明都屬於全人類，沒有申請專利。因為侖琴大無私的貢獻以及嚴謹的治學態度與成就，讓他獲得了第一屆諾貝爾物理獎，實至名歸。
●作者為高雄小港國中自然科老師，喜歡在課堂上穿插各種小故事，啟發孩子對科學的興趣。
【2022-11-21/聯合報/R06版/好讀周報動腦力】
