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雷達的發(fā)明到底和蝙蝠有沒有關(guān)系

百科知識 2023-09-18 11:43:23

說到雷達的發(fā)明,很多人會想到曾在小學(xué)語文教科書中學(xué)過的一篇課文《蝙蝠與雷達》。這篇課文提及

,科學(xué)家通過反復(fù)實驗研究
,發(fā)現(xiàn)蝙蝠嘴里可以發(fā)出超聲波,超聲波遇到障礙物會反射回來,傳到蝙蝠的耳朵里
,蝙蝠據(jù)此來改變飛行方向
。課文明確寫道,“科學(xué)家模仿蝙蝠探路的方法
,給飛機裝上了雷達”
,不過與蝙蝠發(fā)出超聲波不同,雷達通過天線發(fā)出的是無線電波

幾十年來

,這篇課文被各個不同版本的小學(xué)語文教科書收錄,也被2019年出版的
、教育部組織編寫的統(tǒng)編小學(xué)語文教科書收錄
,位于四年級上冊。不只是語文教科書
,有些生物學(xué)教科書在介紹動物與人類的關(guān)系時
,也會引用這個例子。例如
,人教版初中生物教科書在八年級上冊就有一幅插圖“蝙蝠的回聲定位與雷達”
,很多生物教師將其作為仿生學(xué)的經(jīng)典案例介紹給學(xué)生。

我們現(xiàn)在知道

,蝙蝠判斷方位的方式叫作回聲定位
。那么問題來了:雷達真的是模仿蝙蝠的回聲定位發(fā)明的嗎?蝙蝠發(fā)出的超聲波和雷達發(fā)射的無線電波是不是一回事呢
?讓我們一起回到100多年前
,看看歷史上到底發(fā)生了什么。

蝙蝠回聲定位的發(fā)現(xiàn)

人類在很久之前就認(rèn)識了蝙蝠這種生物

,并且注意到蝙蝠的生活習(xí)性與人類不同
,屬于晝伏夜行類。很自然地
,人類想了解蝙蝠在夜間是如何飛行的
,有人猜測它們的視力可能非常好。

在18世紀(jì)

,一位名為斯巴蘭扎尼的意大利生物學(xué)家對這個問題產(chǎn)生了興趣
,并進行了實驗研究。他先是把蝙蝠關(guān)在完全漆黑且沒有任何障礙物的房間里
,發(fā)現(xiàn)蝙蝠幾乎不會飛了
。但這似乎說明不了什么,萬一是房間太黑
,蝙蝠看不見
,不敢飛呢?于是他又設(shè)計了進一步的實驗。當(dāng)他將蝙蝠致盲或?qū)⑵浔亲诱诒魏?div id="m50uktp" class="box-center"> ,再放入有障礙物的房間中
,結(jié)果發(fā)現(xiàn)它們?nèi)匀豢梢宰匀绲仫w行;當(dāng)他將蝙蝠的耳朵塞起來以后
,發(fā)現(xiàn)蝙蝠就很容易撞到障礙物了
。由此他推斷,蝙蝠是通過聽覺來導(dǎo)航的
。隨后
,他把自己的發(fā)現(xiàn)分享給其他研究者。這一發(fā)現(xiàn)引起了瑞士博物學(xué)家查爾斯·朱利安的興趣

朱利安做了這樣一個實驗:他把蝙蝠的耳朵用蠟封住

,發(fā)現(xiàn)蝙蝠總是會撞到電線上,由此他確認(rèn)蝙蝠是通過聽覺來導(dǎo)航的
。斯巴蘭扎尼又重復(fù)了朱利安的實驗
,并試圖追根究底,可惜并未完成
。更加遺憾的是,斯巴蘭扎尼的想法實在有些超前
,因為當(dāng)時(1794年前后)人類尚未發(fā)現(xiàn)超聲波
,因此他的創(chuàng)見非但沒有產(chǎn)生轟動效應(yīng),反而引起了別人的嘲諷
。法國著名的博物學(xué)家居維葉
,就批評了斯巴蘭扎尼和朱利安的實驗,他認(rèn)為蝙蝠可以通過體表或翼膜的觸覺來躲避障礙物。

順便補充一下

,斯巴蘭扎尼簡直是一位天才型的科學(xué)家
。除了上述蝙蝠實驗研究外,他還發(fā)現(xiàn)可以通過煮沸殺死空氣中的微生物(法國科學(xué)家巴斯德受其啟發(fā)通過曲頸甑實驗駁斥了自然發(fā)生說)
;他通過實驗證明消化包括化學(xué)變化
,而非簡單的物理變化
;他還是第一個對狗進行人工授精的人
。因此,巴斯德稱斯巴蘭扎尼為世界上最偉大的實驗科學(xué)家之一

斯巴蘭扎尼關(guān)于蝙蝠的實驗和猜想被埋沒了一個多世紀(jì)

。一直到1908年,美國動物學(xué)家哈恩才通過改進的實驗驗證了斯巴蘭扎尼的實驗結(jié)果
。然而
,真正的謎底揭曉則是在1938年。

美國哈佛大學(xué)的皮爾斯設(shè)計出了可以探測超聲波(頻率高于20000赫茲

,超過人的聽力范圍)的設(shè)備
,當(dāng)時還在哈佛讀書的格里芬抓著蝙蝠跑去找皮爾斯
,首次發(fā)現(xiàn)蝙蝠可以發(fā)出超聲波
。又過了兩年,格里芬與高拉姆博什通過實驗證明
,蝙蝠的嘴能夠發(fā)出超聲波
,其耳朵可以接收遇到障礙物反射回來的超聲波
,從而進行導(dǎo)航和定位
。1944年,格里芬將蝙蝠的這種本領(lǐng)命名為“回聲定位”
。需要說明的是
,不僅是蝙蝠,其他一些哺乳動物和鳥類也有這種本領(lǐng)

蝙蝠是通過反射的聲波來定位的,你是否由此想到了人們使用聲吶在海洋中判斷方位和測距

?其實
,聲吶早在1906年就被英國的劉易斯·尼克森發(fā)明出來了,在第一次世界大戰(zhàn)中被應(yīng)用到戰(zhàn)場上
,用于偵察潛水艇的位置。后來
,聲吶的技術(shù)也在進步
,應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴展?div id="d48novz" class="flower left">
?偟膩碚f
,聲吶的使用要比發(fā)現(xiàn)蝙蝠回聲定位的原理更早一些

雷達的發(fā)明與應(yīng)用

雷達是一項重要的軍事發(fā)明

,得益于電磁波理論和技術(shù)的進步。德國物理學(xué)家赫茲在1888年證明了電磁波的存在
,無線電報
、無線電收音機、無線電廣播相繼問世
。對于電磁波會被物體反射的現(xiàn)象
,赫茲早就注意到了。1897年
,俄國科學(xué)家波波夫提出了在海上利用無線電波探測目標(biāo)的設(shè)想
,但并未付諸實踐
。因為那是在電磁波研究的早期階段
,尚未投入應(yīng)用。

進入20世紀(jì)以后

,電磁波的發(fā)送與接收已經(jīng)應(yīng)用于航海領(lǐng)域
。1904年
,德國工程師胡爾斯邁耶制造出一種可以探測船舶的裝置
,它可以發(fā)射和接收電磁波;1922年
,美國海軍在海上航道兩側(cè)安裝電磁波發(fā)射和接收裝置
,用以探測來往船只。當(dāng)時的電磁波收發(fā)裝置是分離的
,這些裝置被認(rèn)為是早期的雷達。

說到雷達的發(fā)明

,有一個不得不提的關(guān)鍵人物——英國物理學(xué)家沃森·瓦特
。1915年,瓦特進入空軍氣象部門工作
。考慮到飛機的飛行受到雷電天氣的影響
,瓦特認(rèn)為
,雷電會讓空氣分離從而發(fā)出電磁波,如果能探測到這些電磁波信號
,就可以知道雷電的區(qū)域。他提出了“沃森·瓦特測向體制”
,采用陰極射線管顯示無線電信號,成功解決了對電磁信號進行定位和可視化的難題
。在此研究過程中
,瓦特還發(fā)現(xiàn)了微波磁控管的熱效應(yīng)
,后人根據(jù)這個原理發(fā)明了微波爐。1933年
,瓦特成為英國國家物理實驗所無線電研究室的主任。

由于飛機在第一次世界大戰(zhàn)中(1914—1918年)投入軍用

,從20世紀(jì)30年代開始
,各國開始秘密研制遠距離尋找飛機的儀器。1934年
,瓦特偶然注意到無線電波可以在熒光屏上顯示出來
。次年2月
,他向英國政府提交了《采用無線電方法探測飛機》的秘密備忘錄
,與之相關(guān)的研究計劃很快被政府批準(zhǔn)并付諸實踐,當(dāng)年瓦特就研制出第一部可以探測飛機的雷達
,該雷達可以發(fā)出波長為1.5厘米的微波
,探測距離達到80千米。從1936年開始
,瓦特協(xié)助英國架設(shè)了第一個雷達站。后來
,英國建成長達200千米的雷達網(wǎng)(被稱為CH系統(tǒng))
,在第二次世界大戰(zhàn)中發(fā)揮了巨大作用。瓦特因此在1941年被授予爵士頭銜
。不僅是英國
,其他國家也在同期研制雷達
,包括美國
、法國、德國
、意大利
、日本
、蘇聯(lián)
、荷蘭等。到1939年
,雷達進入完全實用階段
,并在第二次世界大戰(zhàn)中大顯神威。

總的來說

,雷達的發(fā)明與改進是技術(shù)不斷進步的表現(xiàn)
。由于雷達的研制后來跟軍事活動牽涉甚多,基本上是在保密條件下開展的
,可以說是在幾個不同國家同時獲得發(fā)展進步的
。值得一提的是,“雷達”這個名詞一直到20世紀(jì)40年代中期才出現(xiàn)
,英文Radar是Radio Detection And Ranging這幾個單詞的縮寫。

蝙蝠回聲定位與雷達之異同

蝙蝠回聲定位和雷達的原理既有相似點

,又有差異

相似點在于,二者都是利用了波被物體反射可以測定方位的原理

;差異在于
,蝙蝠回聲定位使用的是超聲波
,超聲波是一種聲波
,其本質(zhì)是物體的振動在空氣等介質(zhì)中的傳播,如果沒有了介質(zhì)
,比如在真空環(huán)境下
,聲波是無法傳播的,回聲定位就無法實現(xiàn)
;雷達使用的是無線電波,其本質(zhì)是電磁波
,電磁波既可以通過介質(zhì)傳播
,也可以在真空中傳播。

此外

,從頻率(即每秒振動的次數(shù))上看
,超聲波的頻率在20000赫茲以上
,醫(yī)用超聲波一般在1~30兆赫(1兆赫=106赫茲)
;雷達使用的無線電波具有從極低頻到極高頻的一個頻譜,頻率可以從3000赫茲到3000吉赫茲(1吉赫茲=109赫茲)

通過梳理這段歷史

,我們可以發(fā)現(xiàn)
,蝙蝠回聲定位的發(fā)現(xiàn)與雷達的發(fā)明是兩個獨立的事件
,就現(xiàn)有的證據(jù)而言,無法證實后者是受到前者的啟發(fā)
。由于斯巴蘭扎尼的實驗結(jié)果長期被忽視
,直到20世紀(jì)40年代才被格里芬等人揭曉謎底,而彼時雷達已經(jīng)在軍事中獲得實際應(yīng)用
,這就讓雷達的發(fā)明受蝙蝠回聲定位啟發(fā)的說法難以自圓其說。

我們在驚嘆于造物主的鬼斧神工和人類的智慧時

,在感謝大自然對人類的饋贈和啟發(fā)時
,更要堅持科學(xué)精神,尊重歷史
,尊重事實

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