墙上突然出现诡异光圈？别慌，其实是声音在“作怪”

摘要：准备好你的肺活量，对着纸杯底部发声，可以观察到激光光点变成了一个运动的图案。可以用不同的声调来测试，能得到形状各异的图像。

月黑风高夜

物理所xxx实验室惊现怪叫

时而高昂

时而低沉

正欲细究时

只见一绿森森的诡异光圈疯魔乱舞般扭折

别害怕，这不是灵异事件

而是一个超简单的物理小实验

实验器材

一次性纸杯、气球膜、小平面镜、皮筋、激光笔、...

实验步骤

在纸杯底部挖一个圆洞。

用橡皮筋把气球膜紧紧绑在纸杯口。

第三步：

把小平面镜粘在橡皮膜中央。

第四步：

用激光笔照射镜子，让反射光点打在远处的墙上。

注意：千万不要用眼睛直视激光光源哦！

第五步：

准备好你的肺活量，对着纸杯底部发声，可以观察到激光光点变成了一个运动的图案。可以用不同的声调来测试，能得到形状各异的图像。

原理解说

在这个小实验里，纸杯和橡皮膜扮演了非常关键的角色。橡皮膜因质地轻薄、弹性良好，具备灵敏响应空气振动的特性（类似鼓面的振动响应原理）。当通过说话、拍手或敲击纸杯等方式产生声音时，声音的机械振动会引发周围空气压力的快速周期性变化，这种压力变化会驱动橡皮膜产生微小振动，进而带动其表面粘贴的小镜子快速改变反射角度。

当激光笔光束投射至橡皮膜表面的小镜子时，光束经镜面反射后可在远处墙面形成光斑。若镜面保持静止，墙面光斑为固定亮点；当镜面随橡皮膜发生快速微小振动（伴随微小角度偏转）时，墙面光斑会出现显著位移：镜面极小的角度变化，会在较长的光传播路径中被逐步放大，最终使肉眼难以察觉的微小振动，转化为墙面上清晰可见的大幅度“跳舞轨迹”。

这里其实包含了一个很重要的物理原理——

图1 反射角变化导致反射光路偏移原理图

反射角的微小变化导致反射光路的显著偏移。设想一下，如果镜子发生了θ（不妨假设θ=1°）的偏转，那么光线的反射方向会改变2θ。而在一面几米远的墙壁上，这2θ的偏差就足以让光点移动数厘米甚至更远（见图1）。于是，橡皮膜上的振动被“放大”成了墙上光点的舞动轨迹。这就是为什么我们能通过这样一个简易装置，把声音的振动“看见”。

不仅如此，声音的不同频率和强度还会影响橡皮膜的振动方式。低沉的声音会让光点呈现比较缓慢、幅度较大的摆动轨迹；而高音或者尖锐的声音则会让光点快速抖动，甚至画出复杂的花纹。如果把纸杯对着音响播放音乐，墙上的激光光点会随着旋律和节奏跳动，看上去就像光在墙上跳舞。这其实就是一个简单版的“可视化声波实验”。

图2 物理学家Édouard-Léon Scott de Martinville和他发明的早期留声机。图源自网络。

类似的原理在科学史上也出现过。例如 19 世纪，物理学家Édouard-Léon Scott de Martinville曾利用“声波在膜上的振动”来记录声音（图2），这是早期留声机的思想雏形。而在现代实验物理里，也有“声致光学”实验，即利用声波影响光的传播路径。本实验虽小，却和这些经典实验有着异曲同工之妙。

如果筒的形状是方形的，相同的声音会不会得到不同的跃动图案呢？