2020 高三選修物理CH2 波動 - SlideShare
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2波
動
波動WAVE
JULY31,2020
相關版權說明:
內頁部分圖片來自各版本教科書
或網路,版權仍屬原創者所有
講義內容採用創用授權,不得商
業化(印給學生工本費除外)
本章的目的
這個世界充滿各式各樣的波動,如水波、繩波、聲波等等。
因
此,物理學家會由一些基本的模型來描述波動,其中水波是最
熟悉的例子。
時至今日,波在現代世界已經相當重要。
但無論
波動如何擾動,波動最主要的作用就是傳遞能量。
本章重點在於了解波的基本性質及人類如何應用波在日常生
活,比方說解釋地震的相關資訊。
2.
2-2波動Wave
REVIEWANDSUMMARY
3.
2-3波動
2.1波的基本性質
學習目標
閱讀完這節,你應該能夠…
1.知道波能夠傳遞能量,但無法傳遞介質
2.依據介質振動方式區分橫波與縱波
3.知道力學波傳遞,需要介質。
4.知道電磁波傳遞時,不需要介質。
波動(波)(Wave)
1.波動傳遞能量
波可以是集體行為造成的,如水波,也可以是個另粒子的
行為,如物質波。
空間中某點可同時容下數個波。
兩波相遇會互相有加疊的
效果,其加疊方式類似向量加法。
波的種類
1.依是否需要介質來傳遞:
力學波(mechanicalwaves):需要物質才能傳遞的波動,此
物質稱為介質。
傳播模式:當介質被擾動後能恢復原狀,也能牽動鄰近介
質的振動,使擾動能持續傳遞下去。
而介質彈性力的大小
和介質的密度直接影響波動傳遞的快慢。
電磁波(Electromagneticwaves):不依靠介質,而能傳遞
能量。
真空中的電磁波,其波速皆為3×108
m/s。
2.依振動方向區分
橫波(Transversewave):介質質點振動的方向與波前進的方
向互相垂直者,稱為橫波
縱波(longitudinalwave):介質質點振動的方向與波前進的
方向互相平行者,稱為縱波
.
圖2-1力學波傳遞時候,介質不隨波移
動。
在同一介質中傳播時,波速保持
不變與質點振動速度及振幅無關
物質波(matterwaves):
屬「近代物理」範疇,電子、
質子及其他基本粒子,會有如
同「波」的特殊表徵。
4.
2-4波動Wave
「介質」如何傳遞波動
1.模型假設:將介質區分數個體積元素(簡稱體積元)。
如果介質為固體:固體具有強大原子間聯結力同時具有
正向力(垂直接觸面)及切向力(平行接觸面)
如果介質為理想流體(液體、氣體):理想流體之間可視為無
切向力,僅具有正向力(垂直接觸面)
2.如果介質為固體時候:
假設介質受到垂直方向的擾動:A與B之間具有切向力,C
與B之間具有切向力,A、C因為與B之間切向力帶動,就
會出現垂直方向的擾動形成橫波
假設介質受到水平方向的擾動:A與B,C與B之間具有正
向力A、C就會出現水平方向的擾動形成縱波
3.如果介質為理想流體:
假設介質受到垂直方向的擾動:理想流體之間可視為無切向
力,A與B,C與B之間並無切向力B無法帶動A、C一
起擾動無法傳遞橫波
假設介質受到水平方向的擾動可產生縱波不管介質為固體
或A與B,C與B之間具有正向力A、C就會出現水平方
向的擾動形成縱波
4.結論
固體介質:可傳遞橫波與縱波
理想流體介質:只能傳遞縱波
ABC
ABC
5.
2-5波動
2.2振動與週期波
學習目標
閱讀完這節,你應該能夠…
1.知道最簡單的週期波是正弦波。
2.依據介質振動方式區分橫波與縱波
3.解釋如何讓導體藉由靜電感應帶電
4.理解在任何獨立物理過程中,電荷總量不會
週期波periodicwave
1.定義:若波源(振動端)做連續且有規律的振動,則所產生的波
稱為連續週期波
時間的重複性:每隔一個週期時間,波形就會重複出現
空間的重複性:每隔一個波長的距離,波形就會重複出現
圖2-2鋼琴發出的聲音也是週期波的一種,只是較為複雜。
2.正弦波為最簡單的週期波:
波峰(crest):波形的最高點
波谷(trough):波形的最低點
振幅(amplitude):介質偏離平衡位置的最大距離。
波長(wavelength):波傳播過程,沿行進方向固定重複出現的
波形的最小長度。
例如:相鄰兩波峰或波谷之距離
頻率(frequency):波源在單位時間內完整振動的次數。
單位
是赫(Hz),即1/秒,頻率與週期互為倒數
週期period:波源完成一次完整振動所需的時間為週期,單
位是秒(s)
相位:質點振盪時的位置(簡化說法),用來表述波形變化
的物理概念,以[度]或[弧度]作為單位。
正弦波方程式
角速度
時間
位置
波數
相位角
振幅
相位差=0
兩點之間的水平間距
𝝀𝝀的整數倍
同相
相位差=180
兩點之間的水平間距
𝝀𝝀/𝟐𝟐的奇數倍
反相
6.
2-6波動Wave
3.波速v:波傳遞的速率或波行進的速率
與介質的彈性與慣性有關,相同的波動在不同介
質中傳遞時候,波速不同。
例如:
當經過的時間為一週期時,波會前進一個波長的距離
vf
T
λ
λ==
行進波travelingwave
1.以正弦波說明此波為各類型波動的基礎
假設定此正弦波向+x方向移動,觀察介質的震動。
圖2-3正弦波在行進時,其波形會因時間、位置而不同。
x
y
x
y
x
y
x
y
𝟏𝟏
𝟒𝟒
𝑻𝑻
𝟏𝟏
𝟐𝟐
𝑻𝑻
𝟑𝟑
𝟒𝟒
𝑻𝑻
經過
𝟏𝟏
𝟒𝟒
𝑻𝑻,波向右前進
𝟏𝟏
𝟒𝟒
𝝀𝝀的距離
經過
⬚
𝟒𝟒
𝑻𝑻,波向右前進
⬚
𝟒𝟒
𝝀𝝀的距離
波形相同
7.
2-7波動
例題1.:基本題-與SHM結合
若下圖中彈簧質量可以忽略,其力常數為200N/m,下端所掛物體
的質量為0.5kg,振幅為5cm,測得波長為23cm,則波速為多少?
解:
類題:石投於水,以形成連續的水波,相鄰兩波峰間的距離為4公
分,經5秒後此波的最外緣抵達岸邊。
若石落水處與岸相距10公
尺,則此水波的頻率為多少赫茲?答:50m
例題2.:行進波的基礎題
有一正弦波向+x方向傳播,在t=0秒時,其y-x圖如下圖所
示。
假設此波週期為T,請畫出(1)T/4(2)5T/4的圖形
範例演練
x
y
t=0
x
y
x
y
8.
2-8波動Wave
例題3.:行進波的應用【81年日大】
圖中實線為一列向右方行進的橫波在t=0時的波形,而虛線則
為此列橫波在t=0.5秒時的波形,若此列橫波的週期為T,且0.3
秒
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第13&14章波. 第十三&十四章. 第15章光的反射. 第十五章. 第十六章. 第17章干涉繞射. 第十七章. 第十八章. 第十九章. 第20章電流磁效應. 第二十章.
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