雷達與蝙蝠的回聲定位

【摘 要】 “蝙蝠的回聲定位和雷達”這一插圖在人教版生物學八年級上冊教材上地位輕微，即使如此，作為教師的我們也須給學生正確的講解。當前，生物科學蓬勃發展，作為新世紀中學生物教師，要具有與時俱進的思想，具備探索鉆研的精神，能夠更好地實現“面向全體學生，提高生物科學素養，倡導探究性學習”這一課程理念。

【關 鍵 詞】 雷達與蝙蝠；生物；回聲定位；教學

在人教版生物學八年級上冊學生用書中，第三章第二節“動物與人類生活的關系”涉及一幅“蝙蝠的回聲定位與雷達”的插圖[1]。在近年的教學和調研過程中，發現絕大多數教師向學生傳達的訊息是：“雷達是通過模仿蝙蝠的回聲定位發明的”，而多數國人也持相同觀點。然而，事實真是如此嗎？

雷達是英文radar的音譯，為Radio Detection And Ranging（無線電偵測和定距）的縮寫，該術語由美國海軍于1940年首次提出[2]。雷達是利用電磁波探測目標的電子設備，對目標發射電磁波并接收其回波，由此獲取目標至電磁波發射點的距離、方位、高度等信息。雷達的歷史可追溯至1886年德國物理學家赫茲（Heinerich Hertz）展開的一系列無線電波實驗，他證明無線電波能夠從金屬物體反射回來。然而直至二十世紀初期，人們對無線電波才有更深的認識。1901年，意大利科學家馬可尼（Guglielmo Marconi）把電報發射機接上類似赫茲的裝置，證實無線通訊可不受地形限制。三年后，德國工程師侯斯美爾（Christian Hülsmeyer）首次應用無線電波來探測金屬物體。1922年，美國的泰勒（A.H. Taylor）和楊（L.C. Young）無意中發現河面上穿行的船只能夠干擾兩岸進行的無線電實驗，便向海軍提議在軍港入口處和在配合操作的船艦間，使用無線電作為“防盜警報”，以檢查在夜間或濃霧下通過的船只。1934年，美國海軍首次結合脈波，建立了類似現代雷達的暫用系統。1935年是雷達發展的分水嶺，英國科學家瓦特（R. Watson-Watt）向英國防空科學調查委員會提出了應用無線電探測構建“防御網”。同年，蘇聯造出了其最初的雷達系統；而法國籍郵輪諾曼底號也裝設了微波障礙探測器；瓦特及相關人員在英國建立的雷達已有能力追蹤四十英里遠、七千英尺高的飛機。隨后，雷達得到了迅速發展，在二戰中起到了十分重要的作用。

翼手目（chiroptera）動物俗稱蝙蝠，具有回聲定位行為的蝙蝠能夠從喉部或鼻腔發射超聲波，經障礙物反射回來的聲波傳入耳內，經中樞神經系統整合分析，從而進行導航、定位等[3]。1793年，意大利科學家斯帕蘭扎尼（Lazzaro Spallanzani）第一次進行了蝙蝠導航和定位的實驗，并認為在黑暗條件下，被遮住眼的蝙蝠也能夠導航。隨后經過一系列實驗，他與瑞士動物學家朱尼（Charles Jurine）于1799年總結為：“蝙蝠很少應用視力，包裹或者損害它們的耳將是致命的，因為它們無法躲避障礙物，最終不能捕食”。然而，當時普遍認為蝙蝠不能夠發出聲音，因此這個結論被認為是荒謬的。直至1908年，美國動物學家哈恩（C.W. Hahn）改進了斯帕蘭扎尼和朱尼的實驗，同樣發現蝙蝠的耳堵住后無法有效回避障礙物，并認為蝙蝠主要通過內耳的感覺器來感知障礙物。隨后，荷蘭學者Sven Dijkgraaf也發現蝙蝠具有利用聲音躲避障礙物的能力。1938年，美國科學家格里芬（D.R. Griffin）和皮爾斯（G.W. Pierce） 首次證明蝙蝠能夠發射超聲波。兩年后，他與生理學家高拉姆博什（R. Galambos）證明蝙蝠通過嘴發射超聲波，并用耳接收從前方障礙物反射的回聲從而導航和定位。至此，蝙蝠在黑暗中導航、定位以及尋找食物的謎團才最終得以揭開。格里芬（1944年）將蝙蝠這種利用超聲波定位的行為稱為“回聲定位（echolocation）”。

由此可見，在證實蝙蝠利用超聲波進行回聲定位之前就已經發明了雷達。因此，認為通過模仿蝙蝠回聲定位發明雷達的觀點是站不住腳的。但是，雷達和蝙蝠回聲定位的本質是相同的，都是通過發射信號——接收目標反射信號，只不過前者應用的是電磁波，后者是生物聲納。此外，位于美國德克薩斯州的布蘭肯洞穴（Bracken Cave）是目前發現最大的蝙蝠洞，那里棲息著超過兩千萬只墨西哥游離尾蝠（Tadarida brasiliensis）。數量如此龐大的蝙蝠是如何避免相互間聲波干擾而正常導航、定位呢？這點確實值得借鑒到雷達避免電磁波干擾上。

“蝙蝠的回聲定位和雷達”這一插圖在人教版生物學八年級上冊教材上地位輕微，即使如此，作為教師的我們也須給予學生正確的講解。當前，生物科學蓬勃發展，作為新世紀中學生物教師，具有與時俱進的思想，具備探索鉆研的精神，能夠更好地實現“面向全體學生，提高生物科學素養，倡導探究性學習”這一課程理念。

【參考文獻】

[1] 朱正威，趙占良. 義務教育課程標準實驗教科書：生物學（八年級上冊）[M]. 北京：人民教育出版社，2001：51～52.

[2] Page，R.M. The Origin of Radar[M]. New York：Anchor Books，1962：1～196.

[3] 馮江.蝙蝠回聲定位行為生態研究[M]. 長春：吉林科學技術出版社，2001：1～55.