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3小時讀通基礎物理 波動篇

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波的性質  折射

當波在前進途中,速度突然產生變化時,會發生什麼事情呢?比方說愈接近岸邊,水深愈淺的時候。波有一個性質,在水愈淺的地方速度愈慢,所以愈接近水岸,波的速度會愈慢。以下我們就來看看下圖這種水深突然變淺的情況。

在水深改變的位置(稱為界面)上,波的速度 v 會變慢。但頻率 f 並不會改變。根據 v=fλ 的公式,當 v 變小,波長λ就會縮短。

接著來探討如右圖所示,波斜向射入界面的情況。

當波從深處往淺處入射,波前會保持與行進方向垂直,但波速會變慢,因此先通過界面的波前會先降低速度。這時候波就會在界面產生彎曲。

請想像兩個小孩抓著一根棒子的兩端向前跑。一邊的小孩如果突然放慢速度,另一邊的小孩還保持相同的速度,棒子就會突然轉向。波也會有相同的現象。這種波彎曲的現象就稱為「波的折射」。若使用上一頁的圖來定義,則入射波行進方向與界面垂線所夾的角度稱為入射角,彎折之後的角度就是折射角。

波的性質  干涉

如果兩顆大小相同的石頭往空中一丟,相撞了,會發生什麼事?兩顆石頭會「叩!」一聲掉在地上。如果換成兩道波相撞呢?讓我們從兩個方向同時製造一樣高的「波峰」A,並試著將兩者撞擊看看。請看左圖,兩道互相接近的波在撞擊的瞬間,高度突然提升為兩倍。之後又若無其事地穿過對方,繼續移動。這真是有趣呀。

接著請看右圖。一邊製造「波峰」,另一邊製造相同高度(深度)的「波谷」,當兩個波相撞的瞬間,竟然都消失了。

但就當我們以為波消失的時候,「波峰」又若無其事地往右去,「波谷」也平安地往左走。這種某個波影響另一個波的高度(振幅)的現象,就稱為波的干涉。

為何會發生干涉現象?我們知道,產生波的介質只是單純的上下振動。請看上面「峰與峰相撞的情況」的圖。從左邊來的波峰使介質往上振動,從右邊來的波峰也是一樣,當兩個波峰相撞就會把介質推到兩倍的高度(A+A=2A)。再看到下圖,當「波峰」撞到「波谷」時,往上振動的介質被「波谷」往下拉扯,因此介質會回到原本的位置,看起來就像波消失了一樣(A-A=0)。
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