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为什么说生活中到处有对数?

5级与8级地震,表面上看起来只相差三级,两者的破坏力差别似乎不会太大。但事实上,5级地震只会对建筑物有轻度损坏,而8级地震却常常造成毁灭性破坏,2008年5月12日发生在中国汶川的大地震就是如此。为什么不大的数值增加(5级到8级),却意味着毁坏力的极大增幅?原因在于,衡量地震强度大小的里氏震级使用的是“对数”级别。在这种震级定义中,震级每上升1级,它的强度(或者说它释放的能量)会增加30多倍。因此一个8级地震的强度不是比5级地震强3倍,而是超过27000(303)倍!

我们生活中,使用这种“对数”尺度的情况很常见。

为了表示星的亮暗程度,人们把夜空中的星从亮到暗分为1等星、2等星……6等星。这是人们借助于肉眼做出的区分,但事实上,用肉眼看亮度相差1等的星,其发光强度等级的差别却是按等比变化的。具体说,每一个等级的发光强度约是下一个等级发光强度的2.512倍。因此,1等星的发光强度约是6等星的100(2.5125)倍。

在度量声音强度的方式中,我们同样可以看到这种应用。为了准确并方便地量度声音强度,人们引入了“贝”或“分贝”(1贝=10分贝)。比如,人们低语的声音强度是20分贝,正常交谈的声音强度是60分贝,而响雷或摇滚乐的声音强度是120分贝……每增加10分贝(1贝),声音的强度就增加10倍。因此,120分贝声音,其强度是60分贝声音的100万(106)倍。

地震、星辰、声音等看似与对数并无关系的事物就这样与对数联系在一起了。那么,为什么要引入“对数”尺度呢?

这主要是因为人们要处理的一些对象往往在一个很大的范围内变化,比如说,人类耳朵能感应的声压范围可以从最微弱的20微帕变化到2×109微帕。如果用微帕这个单位来表达声音强度,就必须处理小至20,大至2000000000的数字。而引入用对数定义的分贝后,表达同样的声音强度,就只需要面对0分贝到140分贝这样简单的数字。显然,用“对数”级别可以很好地处理范围很大的变化区域。当然,这种方式还有便于书写和计算的优点。

除此之外,使用“对数”尺度在一些情况下还与人类的“对数”感觉恰好是相适应的。所谓对数感觉指的是,当物理刺激呈几何级数变化时,我们对刺激的感觉却呈算术级数变化。简单说来,人类的感觉强度与刺激强度的对数成正比。这一结论在心理学中称为“费希纳法则”。它表明,对数不但出现在自然界,而且还与我们自身紧密联系在一起。

【发散思维】你还能找到生活中的哪些现象存在对数关系?

【本文关键词】对数 对数函数