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光学与波动

波在重叠之处相加

行进的波以 v = fλ 传播,两波相遇时波峰相加、波峰与波谷抵消。频率略有不同就产生拍。

波在空间中传播时携带着波峰和波谷,当两个波在同一处相遇时,它们此刻的位移会直接相加。这就是叠加原理。波速由 v = fλ 决定,两个波可以彼此加强或抵消,而频率略有不同则会产生拍。这里讨论的是真正向前传播的行波,而非驻波。

行波在保持波峰和波谷形状不变的同时向侧向传播。波长 λ 是从一个波峰到下一个波峰的距离,频率 f 是每秒经过某一固定点的波峰数目。二者的乘积 v = fλ 就是波传播的速度。在真实介质中,速度 v 由介质本身决定而几乎保持不变,因此提高频率就会使波长相应地变短。拖动 λ 和 f 滑块,看看速度 v 是如何被确定的。

当两个频率相同的波叠加时,每一点上真实的波就是两个位移之和。相位差 Δφ 为 0 时,波峰对齐波峰,波幅加倍,形成相长干涉。Δφ 为 π 时,一方的波峰遇上另一方的波谷,二者完全抵消而变成一条平线。降噪耳机正是利用这种相消干涉,产生一个与传入噪声相位相差 π 的波,从而在耳边把声音抵消掉。转动 Δφ 滑块,观察合成曲线如何变化。

当两个频率略有差异的波叠加时,它们时而合拍、时而错开,于是合成波的幅度缓慢地增大又减小。这种缓慢的起伏就是拍。拍的频率等于两个频率之差 |f₁ − f₂|。调音时,把两个音一起奏响并调整到拍消失为止,就意味着两个频率已经完全相等。移动 f₂ 滑块使两个频率靠近,看看拍会慢到什么程度。

在单个点上直接验证叠加原理。左右拖动竖直探针,在该处会同时显示两个波各自的高度以及二者相加的值。在任何位置,合成值都始终等于两个高度的简单相加。由于合成值在任何一点都恰好是两个高度之和,两个波彼此穿过之后,仍会像对方从未出现过一样保持各自原来的形状继续前进。移动探针,确认两个值之和与真实的合成曲线完全吻合。

无论波以何种方式扰动介质,叠加都以同样的方式成立。在横波中,介质垂直于传播方向振动,形成我们通常画的曲线形状;在纵波中,介质沿传播方向前后振动,产生疏密相间的区域。这两幅图只是把同一列波画成不同的样子。光是横波,空气中的声音是纵波,但叠加原理对二者的适用方式完全相同。按下切换按钮,看看同一种振动如何以两种形态呈现。

实际应用行波以 v = fλ 的速度传播,波长是从一个波峰到下一个波峰。当多个波相遇时,叠加原理只是把各点的位移相加,因此相位相合则加强、相反则抵消。频率略有不同会产生 |f₁ − f₂| 的拍,而所有这些性质对横波和纵波都同样适用。
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