第一節 水波穿越不同水深的性質變化
水波性質隨水深的改變


這課將探討波穿越不同介質時,其性質有何變化?我們會繼續以水波為例子。

當水波在不同水深的區域之間傳播,例如從深水區進入淺水區時,水波的波速、波長和頻率會否起變化呢?便模擬了這個情況。當水波從深水區傳播到淺水區時,水波的:

      波速
  • 變快
  • 變慢
  • 維持不變
;波長
  • 變長
  • 變短
  • 維持不變
;頻率
  • 變高
  • 變低
  • 維持不變

模擬顯示波速變慢、波長變短。而頻率是由振源決定,不隨水深變化。

作為參考附註,這裡要留意,若水波的波長非常短(約 \(1\ \text{cm}\) 或更短)的話,它的波形將不同於一直討論的正弦波形;水的表面張力效應會顯得重要,令該種波的性質與這裡的討論不一樣。

相反,當水波從淺水區傳播到深水區時,波速會上升、波長變長,但頻率仍維持不變。便利用波陣面圖,模擬水波先從深水區進入淺水區,再回到原來深度的深水區。

事實上,由於水是水波的介質,不同深度便相當於不同的介質,而波速乃取決於介質的性質。這表示當波穿越不同介質時,波速會改變。總言之水波傳播時,其性質可以因水深而變化,造成:

水波:波速隨水深度減小而降低、波長亦變短,頻率則保持不變。

但這裡要留意,若水的深度足夠深,波速是會跟深度無關的。換言之,以上敘述是指較淺水的情況。示意為甚麼水深會影響波速。


當水波進入水深不同的區域時,其波速、波長等性質會出現變化嗎?
以波陣面圖展示水波從深水區域傳至淺水區域,再回到深水區域時的情況。留意波速與波長的變化。(兩相鄰波陣面之間的距離等於波長)
水波得以傳播,因為有水分子在其平衡位置附近運動。雖然水波是沿水這種介質的表面傳播的,水分子運動卻不只限於在水面附近,水面以下的水分子也會運動,但能量較少(圖中箭咀示意水分子運動)。水分子運動時與水底間的相互作用,便對波速造成影響。
波長隨波速的變化

我們知道當水波在不同水深區域間傳播時,波速會下降(或上升)及波長會變短(或變長)。那麼水波在區域間傳播的前後,其波速變化和波長變化會存在怎樣的關係嗎?

設頻率為 \(f\) 的水波在深水區和淺水區時的波速分別為 \({{v}_{1}}\) 和 \({{v}_{2}}\)、波長分別為 \({{λ}_{1}}\) 和 \({{λ}_{2}}\)。根據波動方程:

\({{v}_{1}}\) = \(f\) \({\lambda _1}\)
\({{v}_{2}}\) = \(f\) \({\lambda _2}\)

留意水波進入淺水區後頻率不變。合併上方兩式以消去 \(f\) 得:

\(\displaystyle{\frac{{{v}_{1}}}{{{v}_{2}}}=\frac{{{λ}_{1}}}{{{λ}_{2}}}}\)

原來在深度不同的水中之水波,其波速和波長都
  • 不變
  • 成正比
  • 成反比

您可在先設定兩區域有相異的波速,以模擬深度不同的區域。再分別調節波速和頻率、從波陣面檢視不同區域的波長變化(如有),感受剛才推導的關係式的意義。


以上討論可總結,當水波從一個區域傳播到另一個深度不同的區域,其波速會改變,而波長也會按波速改變的比例而起變化。我們可以利用這關係,找出不同水深下傳播時波長(或波速)的改變。

本程式模擬一列連續的水波從區域 1 傳播至區域 2,按「動畫」可演示水波的運動。若設定水波於兩個區域有相異的波速(即 \({{v}_{1}}\) \(\ne \) \({{v}_{2}}\)),可代表兩區域的水深不同。(入射角 \(i\) > 0° 反映的情境將於下一節才討論)
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