水波的反射水波的反射课件

第六章

波6-1波的性質波動的現象波動：介質受到擾動，將擾動向前（外）傳遞的現象，即振動由波源處依序往外傳遞的現象傳遞波動的物質稱為介質。p.135波動的性質當波動通過時，質點跟著上下移動，如圖中P點；但波動傳過後，它又恢復靜止，並未隨著波動前進。波動並不傳遞物質，它只傳遞擾動的能量。p.135繩波的觀察圖中波向右行進時，繩上P點僅作上下運動，而不是向右運動。圖中波向右行進時，繩上1、2、3各點向上運動，4、5、6各點則是向下運動。p.135波的分類(一)：依波傳播時是否需要介質，可分為：力學波（機械波）：

需介質才能傳播，如：繩波、水波、聲波。電磁波：

在真空中亦可傳播，如：無線電波、紅外光、可見光、紫外光。p.136波的分類(二)：依介質振動方向與波行進方向可分為：橫波：

介質的振動方向和波的行進方向垂直。

(動畫)縱波：

介質的振動方向和波的行進方向平行。

(動畫)按此觀看影片-各種波動（02：16）p.136試問：水波為橫波或縱波？p.136解答：水波是橫波和縱波的混合，不是單純的橫波或縱波。當水波在水面上向右傳播時，水面上的質點作圓周運動。週期波的描述週期波

若將繩子振動端做連續且有規律的上下振動，則所產生的波稱為週期波。名詞解釋(以橫波為例)振幅►波峰►波谷►頻率►週期►波形的最高點，稱為波峰波形的最低點，稱為波谷週期（T）：繩上各點做一次完整振動所需的時間，單位：秒頻率（f）：繩上的質點在每秒內所做完整振動的次數，單位：1∕秒，赫茲（Hz），簡稱赫繩上各點從未振動前的位置算起所能移動的最大距離稱為振幅（amplitude）p.137波速波速：

波在介質中傳遞的速率或是波形移動的速率

在一個週期的時間內，波前進了一個波長的距離。波速是由介質的性質和狀況來決定，在同一介質中週期波頻率增加，並不會使波速增加，而會使波長減短。由動畫理解此公式p.138例1：在一彈性繩的一端振動產生週期波，每秒振動60次，經測量得知所產生的波在繩上的波速為72公尺∕秒，則繩上的波長是多少？振動的週期又是多少？由v

＝fλ

可得72＝60×λ，故波長λ

＝1.2公尺。週期與頻率互為倒數，週期T

＝1/f，得週期T

＝1/60秒。例2：一個半徑為30公分的臉盆內盛水半滿，在圓心的正上方處有一會滴水的水龍頭，已知水滴落入臉盆內所產生的圓形水波到達臉盆邊緣需歷時0.5秒，相鄰兩圓形水波的距離為5公分，則水龍頭滴水的頻率為多少赫茲？

﹝提示：水波依然會遵守運動學的基本概念﹞由題意可知，水波移動的速率

v

＝＝＝60（cm/s）

，而水波的波長為5公分，

又因v

＝fλ

60＝f

5

f

＝12（Hz）。水波的觀察(一)水波為平面波，水波凸出水面的波紋相當於凸透鏡，能會聚光線，在白幕上形成亮紋；反之，水波凹入水面的波紋相當於凹透鏡，能發散光線，在白幕上形成暗紋。p.143水波的觀察(二)照片中白色的圓是亮紋，表示凸出水面的波紋，亮紋中央處為波峰；黑色的圓則是暗紋，為凹入水面的波紋所形成，暗紋中央處為波谷。波前（wavefront）照片中每一條亮紋中央可看成相鄰波峰的連線。介質中相鄰且振動位移相同（如波峰、波谷……）的點之連線，稱為波前，但不限定是波峰或波谷。波的行進方向與波前垂直，如圖中紅色箭頭就是波行進方向。上圖為圓形波，下圖為直線波。例1例1：使用水波槽做水的波動實驗時，下列敘述中何者正確？

(A)實驗中起波器的起波頻率必須保持一定

(B)白幕上的亮帶相當於水波的波谷

(C)進行「水波的折射」實驗時，需使用密度不同

的兩種液體

(D)水波遇到障礙物反射後，滿足反射定律及波速

不變的原則

(E)在白幕上測得的波長，等於實際水波的波長。例1答案答案：(A)(D)

(B)白幕上的亮帶相當於水波的波峰。

(C)「水波的折射」實驗，是以深水、淺水區

作為兩種不同的介質。

(E)白幕上測得的波長，大於實際水波的波

長。這是因為水波槽中，波長經過投影的

結果。水波的反射水波的反射：

水波傳遞遇到障礙物時，傳遞方向改變的現象。名稱介紹法線▼入射線▼反射線▼入射角▼反射角▼與界面(障礙物)垂直的線，如圖中黑色虛線。入射波的行進方向，如圖中紅色箭頭。反射波的行進方向，如圖中藍色箭頭。入射線與法線的夾角，如圖中θ1。反射線與法線的夾角，如圖中θ2。p.140反射定律水波的反射定律入射角θ1

等於反射角θ2

。入射線、反射線在法線的不同側，且三線在同一平面上。水波的折射水波在深水區與淺水區的波速並不相同，深水區波速較快，因此深水區與淺水區可以視為不同的傳播介質。因波速改變，造成波行進方向偏轉的現象，稱為折射。(動畫)按此觀看影片-

水波的反射、折射與應用（02：48）p.144水波的折射水波由深水區進入淺水區時，行進的方向偏向法線。折射定律水波折射定律定性描述入射線、折射線在法線的兩側，且三線在同一平面上。當入射角θ1＝0°時，折射角θ2＝0°。當入射角θ1≠0°時若折射後波速變快，即v2＞v1，

則θ2＞θ1，波行進方向偏離法線。若折射後波速變慢，即v2＜v1，

則θ2＜θ1，波行進方向偏向法線。例2例2：如圖所示，已知在水波槽中水波由深水區進入淺水區，圖中已繪出入射波在深水區的入射方向和波前，以及進入淺水區後水波的折射方向。試繪出折射波的

波前。指出折射波的波

長較入射波大或

小。說明水波在深水

區或淺水區的波

速哪處較快。波的疊加原理波的疊加原理

在波傳遞路徑上，若同時存在兩個或兩個以上的波重疊時會互相干擾而形成合成波，此現象稱為波的干涉。p.146波的疊加原理合成波波幅的位移等於各脈波在該位置瞬時位移的代數和，此規則稱為波的疊加原理，以右圖繩波為例來說明。干涉現象為波特有的性質粒子運動過程不具此特性。波的干涉數個波干涉結果，可分成下列兩種：建設性干涉▼破壞性干涉▼合成波在介質中的某些位置使擾動增強，即合成波振幅變大。合成波在介質中的某些位置使擾動減弱，即合成波振幅變小。水波干涉水波干涉的例子水波的繞射當直線形水波通過有較大缺口的障礙物，通過的波大致維持原來直線形的波前；若障礙物的缺口縮小，則通過缺口的水波之波前產生彎曲，轉向各個不同方向，故波形產生彎曲的現象，稱為水波的繞射現象。p.138水波的繞射水波通過較小的障礙物缺口時，其波形所產生的彎曲程度較大，即障礙物缺口較小，水波通過時所產生的繞射現象，比起缺口較大的為明顯。結論：聲音需要依靠物質才能傳播，空氣是傳遞

聲音的一種介質，所以聲音為一種力學

波。在密閉的玻璃罩內，接通電源後可聽到電鈴振動所產生的聲音。將玻璃罩內的空氣抽出，則所聽到的鈴聲逐漸變弱，終至聽不到聲音。將空氣抽出按此觀看動畫聲波為力學波p.148例1：太空中沒有空氣，在太空艙外進行太空漫步

的太空人如何交談或與地面控制臺的人員連

絡？太空人是包覆在太空衣中，太空衣內有空氣，太空人可以正常的呼吸及說話，藉由頭盔內的無線電通話系統，將聲音轉換成無線電波向外傳，經接收器接收後再由揚聲器將聲音傳給另一位太空人。聲波在空氣中是如何傳播的？按此觀看動畫聲波為縱波聲波在空氣中的傳播當音叉受敲擊而快速振動時，它會對鄰近的空氣時而壓縮，時而放鬆，使得在聲源處的空氣產生時而密度增大，時而密度減小的擾動。這種局部擾動透過空氣分子間的碰撞，逐漸由近而遠傳播出去，構成聲波。聲波是一種疏密波，也是一種壓力波。按此觀看動畫在氣體、液體內部只能產生縱波，固體內部則可以產生橫波與縱波。地震波中的S波就是橫波，可引起左右振動；P波就是縱波（壓力波），可引起上、下振動，橫波與縱波在介質中傳播的速度並不相同。聲波在液體或固體中傳播聲音在不同介質中的傳遞速率聲波波速一般而言，聲音在不同介質中的傳遞速率：固體＞液體＞氣體觀看不同介質聲波傳播的速率值►p.149聲速與氣溫的關係空氣中的聲速與溫度有關，實驗發現，當氣溫為0℃時，空氣中的聲速約為331公尺∕秒，氣溫每升高1℃，聲速約增加0.6公尺∕秒，因此空氣中的聲速v與氣溫T（℃）的關係大約為：例2：某生在教室中看到外面天空發生閃電，隔5.0秒後，開始聽到隆隆的雷聲，請問發生閃電的地方，約距離教室多遠？（設當時的聲速為340.0公尺∕秒）由於光速極快，閃電發生時間與某生看見閃光的時間差極小可忽略，所以雷聲自發生閃電的位置傳到某生的位置需要5秒的時間。閃電的地方距離教室340.05.0＝1700（公尺）。都卜勒效應都卜勒效應：

觀測者（聽者）與聲源（發聲者）之間有相對運動，造成聽者所接收到聲波的頻率（又稱為視頻）與聲源發出的原頻率不同的現象，稱為都卜勒效應。於1842年，由奧地利的物理學家都卜勒首先提出。p.151都卜勒效應依觀測者與聲源相對運動的情形分成下列四種狀況討論：動畫

因此只要兩者距離變小則頻率變大，距離變大則頻率變小。觀測者靜止，聲源運動聲源靜止，觀測者運動1.聲源接近觀測者►2.聲源遠離觀測者►3.觀測者接近聲源►4.觀測者遠離聲源►聲源接近觀測者對聽者而言，由於波的間隔變小，聽者所接收到的聲波波長變小，聽者在單位時間內所接收到波數會較多，所聽到的頻率就變高了。即聲源移動方向與聲波傳遞方向相同時波長變短。聲源遠離觀測者當聲源S運動方向為遠離聽者O時，對聽者而言，波與波的間隔變大了，聽者接收到的波長變大，所以聽者在單位時間內所接收到的波數會較少，所聽到的頻率就變小了。即聲源移動方向與聲波傳遞方向相反時波長變長。觀測者接近聲源聲源S發出聲波以v的速率向外傳播，此時若女孩（聽者）向聲源接近，則聲波到達聽者的時間間隔較靜止時來得短。在單位時間內，她所接收到的聲波數會比靜止時所接收到的多，故聽到的頻率較聲源所發出的頻率為高。即聽者移動方向與聲波傳播方向相反時波速變大。觀測者遠離聲源若女孩（聽者）遠離聲源，此過程中女孩所接收到的聲波數會比靜止時所接收到的少，故女孩所聽到的頻率較聲源原發出的頻率為低。即聽者移動方向與聲波傳播方向相同時波速變小。都卜勒效應在天文觀測上，若恆星與地球間有相互接近或遠離時，則在地球上觀測恆星所發出的光也會有都卜勒效應。當恆星朝遠離地球的方向運動時，在地球上所接收到來自該恆星所發出光的頻率較該恆星原來發出光的頻率為低，波長較長，稱為紅位移由地球上觀測恆星所發出的光均具有紅位移的現象，可推測我們所處的宇宙正在膨脹。例3例3：如右圖所示，聲波波源S以速

率vS等速向右移動，而圖中

的圓表示為聲波所發出波動

的波峰，試回答下列問題。

1.右圖是用以表示下列何種

現象？

(A)干涉現象(B)繞射現象

(C