第一節 波的簡介
觀察波動


(wave) 是甚麼呢?首先要知波不是物質!我們先看一種最常見的波:水波

所示,一滴水從高處跌落原本平靜的水面時,水面便會皺起來,形成一個個圓紋。這些常被稱為漣漪的圓紋,就是水波,它們會從圓心慢慢向外擴展,到達很遠的地方。事實上,藉觀察各種涉及水波的現象,我們可進一步了解波。試看看以下兩種現象:

【水波現象 1】
生活經驗告訴我們,海上風暴會造成巨浪(),能打翻海面上的船舶,破壞岸邊景物,可想而知,巨浪帶著巨大的能量,把能量傳到海中每處。

【水波現象 2】
的示範,一盆起初平靜的水面上先放上一小發泡膠粒,作為漂浮物。在遠離漂浮物的位置,用棒擾動水面時,觀察漂浮物的運動狀態:

       在遠離漂浮物的地方擾動水面,漂浮物會
  • 保持平靜
  • 振動起來

用棒擾動水面會產生水波。因波帶著能量、而能量是做功的能力,當波帶著能量傳到別處,會對其他浮在水面上的物體作功、令其振動。


從以上兩個現象可見,擾動水面的能量,會籍着水波傳到遠處。換言之:

波是一種能量傳遞的方式   或   波傳播擾動


以慢鏡演示一滴水跌落水面而產生水波時,可清楚看見一環環向外擴展的漣漪。
颱風吹襲時,可常見衝擊岸邊的巨浪
擾動水面會產生水波,水波傳播到遠處的漂浮物(小發泡膠粒)後,令漂浮物產生擾動
波的產生與傳播


之前在觀察波動時,您有注意到波是藉擾動水面而產生的嗎?顯然,以棒子點水可以產生水波()。那麼,還有甚麼方法會產生波?我們可以如般,用手握住軟彈簧的一端並上下擺動,行波便在軟彈簧中產生。

事實上,那些會擾動周圍物質、使物質一同振動的東西,皆稱為振源;而那些一同振動的物質,就是介質 (medium)。如不停點水的捧和擺動的手,都是振源;水和軟彈簧則是介質。從這兩個實例可見,當一個振源引起了四周物質的振動,便產生波。換言之:

波由振動造成

,波是振動在軟彈簧中傳播時形成的,所謂波動指的就是振動的傳播。不同的波可以是藉不同的運動方式傳播的。以不同方式運動的波,會有不同的波形 (waveform)。根據波的運動方式,波可以分為橫波 (transverse wave) 和縱波 (longitudinal wave) 兩大類。便分別演示這兩種波在軟彈簧中的傳播:

       橫波):彈簧的末端的擺動方向,與其伸展方向
  • 平行
  • 垂直

       縱波):彈簧的末端的擺動方向,與其伸展方向
  • 平行
  • 垂直

【橫波】
擺動軟彈簧末端時,彈簧上有些部分向上彎,有些部分向下彎。這一串由凸上和凹下部分互相交替連接而成的波形,會沿着軟彈簧傳播。

【縱波】
當軟彈簧末端被擺動時,彈簧上部分的螺旋圈會緊靠在一起、部分的螺旋圈則較稀疏。這些疏密不同的部分、互相交替,並一起沿彈簧傳播。


用捧子在水面上點一點,就會出現一個漣漪。不停重覆這個動作,就會產生一列水波
本模組使用 slinky 作為往後的示範(例如)的軟彈簧
先讓兩位同學分開握住一根軟彈簧的兩端、在地上拉長軟彈簧。接着,其中一位同學用手不斷重覆擺動軟彈簧,軟彈簧上便會產生行波;行波就是傳播中的波。
有兩位同學先用手拉長一根在地上的軟彈簧,然後其中一位同學不斷來回擺動軟彈簧的一端。跟不同的是,這次不再上下擺動軟彈簧,改為前後擺動,所以在軟彈簧上形成縱波(裡的是橫波)。因為橫波與縱波也有波形的傳播,所以它們都是行波。留意現實中各種各樣的波,不是非橫波即縱波的二元區分,如有些波是既有縱波也有橫波的。
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