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:
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。
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。上述這現象可參考和的效果、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?
【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,在諸如或的屏幕影像中,兩條相鄰的亮線或暗線之間的距離,就是水波的波長嗎?