波動

波的基本性質、週期波、繩波的反射與透射、波的疊加原理、駐波、水波的反射與折射、惠更斯原理、水波的干涉與繞射

頭波

頭波 (Bow wave)
國立臺灣大學物理學系 曾奕晴

頭波是甚麼?

當我們看到一隻鴨子遊過池塘時,會造成周遭水面的波痕,有些波會產生在鴨子的前方產生並擴散出去。這時候想像如果鴨子游的夠快(超越水波在水面傳播的速度),從上方往下看,鴨子的身後會產生 V 型的波痕,這 V 型波痕的邊緣就是頭波的波峰。

包絡;包封

包絡;包封 (Envelope)
國立臺灣大學物理學系 曾奕晴

包絡是甚麼?

Envelope 這個單字的中文語意為信封,而我們在物理學上用的 Envelope 和這個中文解釋有相似之處,都是把「物質限制在一個範圍內」的表示,在物理學及工程上包絡的定義為,一條可以描繪出波傳遞極值的圓滑曲線,如圖一所示。當有一道波在空間中傳遞時,我們分別將它的波峰和波谷連成兩條圓滑的曲線,它們的名稱分別就是上部包絡 (upper envelope) 以及下部包絡 (lower envelope)。

頻譜

頻譜 (frequency Spectrum)
國立臺灣大學電信所電波組 林庭毅

時頻轉換,聽到如此陌生的名詞,相信大家的腦裡開始產生了各式各樣的幻想,又期待著什麼驚人的公式即將出現,但算式對於高中的程度而言太超過,所以我們就不提,我們要從很簡單的方法去欣賞這個好用的分析手法。

剛剛我騙了你們,其實你們也不是那麼不熟悉時頻轉換,甚至在任何你們遇得到的高等數學中,時頻轉換或許是你們最早就會在國小時期接觸到的,讓我們用一張圖來喚起大家的記憶吧。

腹線與節線

腹線與節線 (antinodal line, nodal line)
國立臺灣大學物理系李宛儒

當兩個同調點波源互相干涉 (Interference)時,會出現穩定的干涉圖形(如圖一),其中明暗交互出現的線條便是腹線(antinodal line) 與節線 ( nodal line)。腹線與節線可在水波槽干涉實驗中被觀察。

圖一 (圖片來源:http://www.phy.ntnu.edu.tw/wiki/index.php/)

圖一 (圖片來源:http://www.phy.ntnu.edu.tw/wiki/index.php/)

共振腔(Resonator)

共振腔(Resonator)
台中縣縣立中港高級中學物理科王尊信老師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

所謂共振腔是指特定波長的波在長度固定的腔體內共振。因為腔體的兩端是共振的節點,所以波共振時,腔體長度必須為半波長的整數倍。當波動為電磁波時,稱為光學共振腔。

共振腔是雷射的三個組成之一,可以依照反射面的存在與否分為開腔與閉腔兩種。最常見的光學共振腔是法布里-博羅光共振腔(Fabry–Perot resonator),當雷射在法布里-博羅共振腔共振時,一個往返行程後的相位改變必須是360度的整數倍,即m(2π),此為雷射震盪之相位條件,其 中,m為正整數。又由於自由空間之波向量k=2π/λ,若n為介質的折射率,腔長為L,則mλ/2n=L,可以用來估計雷射共振腔模,這時的模態稱為縱向 軸模態(longitudinal axial modes)。另外一方面,如果反射場所有的模態都可以垂直於共振腔軸之場(電場與磁場)所組成,這些模態稱為橫向模(transverse modes)或橫向電與磁模(transverse electric and magnetic modes, TEM)。

水波的波速

水波的波速 (Speed of Water)
國立嘉義高級中學物理科 李文堂老師 / 國立彰化師範大學物理系 洪連輝教授 責任編輯

高中物理課程中,水波是非常重要的一個單元,日常生活中也常看到水波,水波槽實驗更是必做的分組實驗;讓學生深感疑惑的是:課本通常看不到有關水波的波速的公式。在本平台上登有「典型的海浪」介紹深水的表面波的公式,本文針對一些波長較短的波作介紹。

海嘯 (Tsunami)

海嘯 (Tsunami)
台中縣縣立中港高級中學物理科王尊信老師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

圖一、海嘯的警告標誌

海嘯日本話為津波,意思為傳到港口會放大的一種波。英文為 Tsunami,也是由日本話翻譯而來,原因大概是日本為少數幾個對海嘯有研究的民族。

波長

波長 (Wavelength)
臺中縣常春藤高級中學李品慧老師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

在物理學裡,波長為一給定頻率的行進波重複單位間的距離,通常被標示為希臘文字Lambda(λ)。波長與頻率之間的關係為:波長 = 波速 / 頻率,如果波速相同,波長和頻率成反比。高頻波的波長較短,低頻波的波長較長。

惠更斯原理

惠更斯原理 (Huygens Principle)
天主教曉明女子高級中學物理科李忠義老師/國立臺灣師範大學物理系蔡志申教授責任編輯

惠更斯原理 (Huygens principle),以物理學家 Christiaan Huygens命名,是一種用來分析、解釋波動如何行進的理論。惠更斯原理可同時解釋波動在遠距離傳遞過程,以及近距離繞射所產生的現象。

衝擊波(Shock Waves)與馬赫數(Mach Number)

衝擊波(Shock Waves)與馬赫數(Mach Number)
天主教曉明女子高級中學物理科李忠義老師/國立臺灣師範大學物理系蔡志申教授責任編輯

衝擊波又稱為衝擊面(shock front),跟一般的波動一樣,是一種具有傳播特性的擾動,可以在固體、液體或氣體中傳播並傳遞能量。

當物體移動的速度超過聲音的速度時,物體產生的聲波波前將會重疊在一起,如下圖所示,而重疊的部分便是衝擊波。就立體空間而言,衝擊波會形成一個圓錐角,我們稱為馬赫錐(Mach cone)。馬赫錐的中心軸線為是波源(如飛機)運動的軌跡線,而此線與錐面所夾的角(如圖中 α 角)稱為馬赫角。

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