第四節 波動方程與軟彈簧上的波速
波動方程

從質點振動的頻率 (\(f\)) 與週期 (\(T\)) 的定義,應不難發現,它們之間有這關係:

\(\displaystyle{f=\frac{1}{T}}\)                              

運用這關係,便可從週期計算出頻率,或從頻率計算出週期。注意,從以上公式中,可推導出頻率單位 \(\text{Hz}\) 其實等同於 \({{\text{s}}^{-1}}\)。例如要分別找出振動頻率為 10 \(\text{Hz}\) 的質點的週期,以及週期為 5 \(\text{s}\) 的另一質點的頻率,計算就是:

\(T\) = 1 / (10 \(\text{Hz}\)) = 1 / (10 \({{\text{s}}^{-1}}\)) = 0.1 \(\text{s}\)
\(f\) = 1 / (5 \(\text{s}\)) = (1/5) \({{\text{s}}^{-1}}\) = 0.2 \(\text{Hz}\)

在波傳播之際,原來質點的頻率,也跟波長和波速之間有一個簡單數學關係:

\(\displaystyle{\lambda=\frac{v}{f}}\)                              

其中 \(\lambda \) 為波長、\(v\) 為波速、\(f\) 為頻率。這方程有時會稱為波動方程,運算例子可參考。留意波動方程適用於所有類別的連續波。


若一橫波的頻率是 50 \(\text{Hz}\)、波長等於 0.2 \(\text{m}\),那麼波速就是 \(v\) = \(f\) \(\lambda \) = (50 \(\text{Hz}\)) (0.2 \(\text{m}\)) = 10 \(\text{m }{{\text{s}}^{-1}}\)
若有另一橫波的頻率是 10 \(\text{Hz}\)、波速等於 200 \(\text{m }{{\text{s}}^{-1}}\),那麼波長就是 \(\lambda \) = \(v\) / \(f\) = (200 \(\text{m }{{\text{s}}^{-1}}\)) / (10 \(\text{Hz}\)) = 20 \(\text{m}\)
軟彈簧(或張緊絃線)上的波速


行波可由振幅 \(A\)、頻率 \(f\)、波長 \(\lambda \)、波速 \(v\) 等波的性質描述。那麼,有何因素影響波速?我們可再於軟彈簧上造出脈衝(),變動這些量進行探究:

探究結果顯示,波速與軟彈簧性質有關。事實上,波在軟彈簧上傳播時,振幅和頻率不會影響波速。而彈簧上的張力愈大(),波速愈大。原來在軟彈簧上(或張緊絃線上),行波的波速是由以下關係決定:

\(\displaystyle{v=\sqrt{\frac{T}{\mu}}}\)                         (推導方法從略)

其中 \(T\) 為軟彈簧上張力、\(\mu \) 為彈簧的線性質量密度。它們對波速的影響為:

  • 拉開軟彈簧的張力愈大,波速愈高;
  • 軟彈簧的線性質量密度愈高,波速愈低。

舉例說,有兩根長度相等的軟彈簧(),質量較大的一根,便有較高的線性密度。若兩根軟彈簧都被大小相同的張力拉長,質量較大的軟彈簧上的波,波速便較低。總結而言,以上雖僅以軟彈簧的情況來說明,但對於機械波:

影響波速的因素是介質的特性(軟彈簧的情況就是彈簧張力和線性質量密度),不是波的振幅和頻率!


橫向脈衝
同一根彈簧,當彈簧拉得愈長,彈簧上的張力 (\(T\)) 便愈大。再者,由於彈簧拉長了,彈簧的線性質量密度(\(\mu \),即每單位長度的彈簧質量)亦會減小。
兩根長度相同、但質量不同的彈簧
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