第二節 以關係線圖描述橫波
位移-距離關係線圖


為能更方便地分析各種波的運動,可以運用各種關係線圖。本節我們暫只關注橫波,首先看看位移-距離 (\(s\)-\(d\)) 關係線圖。\(s\)-\(d\) 線圖就是以圖像來顯示某一刻於波上各位置的質點之位移。作為例子,考慮有一橫波在繩上傳播():

【\(s\)-\(d\) 線圖的橫軸】
在 \(s\)-\(d\) 關係線圖中,橫軸為橫波上各質點的平衡位置相對於參考點的距離 \(d\)。參考點可任意選取,在中的橫波,就以振源(手的位置)為參考點。

【\(s\)-\(d\) 線圖的縱軸】
\(s\)-\(d\) 圖的縱軸為質點相對於平衡位置的垂直位移 \(s\)。如取向上為正方向,當質點在平衡位置以上,位移為正,\(s\)-\(d\) 圖線便在橫軸以上。


單憑一幅 \(s\)-\(d\) 圖,只能讀出振幅與波長,卻找不到波速、傳播方向和頻率等資料。要更了解波動情況(如波形隨時間的變化),其中一個方法,就是要取得多個不同時刻的 \(s\)-\(d\) 關係線圖,從 \(s\)-\(d\) 圖於不同時刻的變化中找出資料。便顯示了接續狀態的一週期 \(T\) 內,連續四個時刻的 \(s\)-\(d\) 關係線圖了。


繩上傳播的橫波及其位移-距離 (\(s\)-\(d\)) 關係線圖
於繩上傳播的橫波在不同時刻的位移-距離 (\(s\)-\(d\)) 關係線圖
位移-時間關係線圖


對於在 \(s\)-\(d\) 關係線圖中的給定質點,我們雖可像般,從連續時刻的 \(s\)-\(d\) 圖中找出時間變化的位移,這顯然是不便的。是故,我們可以運用位移-時間 (\(s\)-\(t\)) 關係線圖。\(s\)-\(t\) 關係線圖就是以圖像來顯示波上 其中一個質點 的位移隨時間的變化。我們能從 \(s\)-\(t\) 關係線圖裡,了解到欲關注的質點的振動情況。

繼續以橫波在繩上傳播作為例子,便顯示了波上其中一個質點(繩上點 R)的 \(s\)-\(t\) 關係線圖了:

【\(s\)-\(t\) 線圖的橫軸】
橫軸為時間 \(t\);

【\(s\)-\(t\) 線圖的縱軸】
縱軸為質點相對於其平衡位置的位移 \(s\)。


這裡要強調一點,波上不同位置的質點在同一波長內,由於這些質點是異相的,它們的 \(s\)-\(t\) 關係線圖因而是不同的。便顯示了在橫波上除點 R 外,更多不同位置質點的 \(s\)-\(t\) 關係線圖了。由線圖可知:

       質點 P 和 T 是
  • 同相
  • 反相
的;它們有
  • 相同
  • 相反
的 \(s\)-\(t\) 線圖;
       質點 P 和 R 是
  • 同相
  • 反相
的;它們有
  • 相同
  • 相反
的 \(s\)-\(t\) 線圖;
       質點 Q 和 S 是
  • 同相
  • 反相
的;它們有
  • 相同
  • 相反
的 \(s\)-\(t\) 線圖。


橫波上其中一個質點的位移-時間 (\(s\)-\(t\)) 關係線圖
橫波上不同質點的位移-時間關係線圖
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