第一節 觀察水波
水波槽


要認識各種波的特性,其中一種方法,就是觀察波動。日常生活中我們最常接觸到的波,大概是聲波和光波。不過,這兩種波的波形並不能直接看到,需借助科研級別的儀器才能觀察到。湊巧有另一種波,它既常遇到、其波形亦易於被我們觀察的,就是水波。故此,我們隨後會用水波來演示各種波的特性。

在學校實驗室,我們會用水波槽 (ripple tank) 來考察水波的性質(見)。

【產生脈衝】
若如(a) 般,把一滴水滴在已注水的平靜水槽中,水面上便會產生一個往四方八面擴展的圓形脈衝。藉此簡單操作亦顯示了:

      水波漕中造成的脈衝是
  • 橫向脈衝
  • 縱向脈衝

下落的水滴就是振源,其方向與所造成的脈衝的運動方向互相垂直,顯然這是橫向脈衝。換言之,當脈衝向外擴展、在水表面上經過時,所在的水表面分子會上下振動。


【產生連續波】
那麼,如何在水波槽中能製造連續波呢?利用振動匙或振動桿,連接振動裝置(見),便可以造出連續波。若水波槽中振動的是振動匙,便會產生圓形波(a))。若水波槽中振動的是振動桿,則會產生直線波(b)),又稱平面波。您可在觀看動畫示範,看看圓形波和直線波如何透過振動桿及振動匙的運動產生。


水波槽是一個透明淺水槽,槽中一般注入深度約為 0.5 \(\text{cm}\) 的水。(a) 滴下一滴水可以產生一個圓形脈衝;(b) 如果用諸如尺子的一邊輕輕碰一碰水面,則可以產生一條向前移動的直線脈衝。
產生連續波的水波槽裝置。振動匙和振動桿可分別用來產生 (a) 圓形波和 (b) 直線波。振動匙或振動桿皆由電動機驅動而不斷振動。把它們固定在水波槽中,接上電源並啟動後,便能產生一列水波。
請選擇要產生圓形或直線水波,或者產生一個脈衝,開啟振動裝置觀看示範
藉屏幕上成像觀察水波


除了藉肉眼直接觀察水波槽中的水波外,為了觀察上的便利和需要,我們可以把水波槽放在高影機上,讓水波的影像投射到屏幕上(見)。

【屏幕上如何成像】
高影機裡的光源會從水波槽的底部向上照射,將影像投射到屏幕上。當水波槽中的水靜止時,屏幕會被均勻照亮;當水波槽中有出現水波時,屏幕上便會出現光暗相間的條紋。上述這現象可參考的效果、分別由兩種不同振源造成。為甚麼水波槽出現水波時,屏幕上便有光暗相間的條紋呢?事實上,當光線射到水波時(見裡的小圖),水波的:

波峰會產生凸透鏡的作用,波谷會產生凹透鏡的作用。


總言之,影像中包括有較光亮的部分和較暗淡的部分。由以上可以推斷,哪部分代表波峰、哪部分代表波谷呢?

  • 屏幕影像中較光亮的部分,稱為亮線,是代表
    • 波峰
    • 波谷
  • 屏幕影像中較暗淡的部分,稱為暗線,是代表
    • 波峰
    • 波谷

【亮線】
對來自水波槽下的光線,水波的波峰會產生凸透鏡的作用,會把光線會聚在屏幕上,形成一條較光亮的線;

【暗線】
對來自水波槽下的光線,水波的波谷會產生凹透鏡的作用,會使光線發散,因此在屏幕上對應的位置會較暗,形成一條較暗淡的線。

最後想一想,在諸如的屏幕影像中,兩條相鄰的亮線或暗線之間的距離,就是水波的波長嗎?


利用高影機把水波的影像投射到屏幕上。請分別嘗試閞啟和關閉水波的振源,留意屏幕上的影像的區別。小圖說明水波影像的成因:出現水波時,波形中凸上部分是波峰、凹下部分是波谷;對射向它們的光線而言便相當於是凸透鏡和凹透鏡
投影在屏幕上的圓形水波
投影在屏幕上的直線水波
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