基礎物理(一)全 課本電子教案_第6章 波_6-1

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6-1波的性質

1在水面上會產生圓形的水波，並由落點向四周傳播。當石塊投進水中後，我們將會看到什麼現象？水為傳遞水波的媒介，稱為介質。6-1波的性質

2落葉會在原處附近上下來回移動；同時，水與落葉都沒有隨著水波的傳播而向前流動漂移。當水波通過落葉時，我們將會看到什麼現象？可見：波只會傳播能量，不會傳播物質。6-1波的性質

3一、波的種類6-1波的性質

4如果手握繩子的一端，上、下抖動繩子，則會在繩子中產生什麼現象？繩子中會產生如上圖所示的行進波，沿著繩子傳播行進。繩子中的行進波前進時，可以看到繩上質點的運動情形為何嗎？6-1波的性質

5現在，用一狹縫將繩子中間的一小段蓋住，然後觀察狹縫，將會看到什麼現象？繩子中產生行進波向右前進時，從狹縫中可以看到繩子是上、下來回運動；所以，繩上質點的振動方向垂直於波的行進方向。6-1波的性質

6像這種介質質點的振動方向與波動的行進方向垂直的波動稱為橫波，又稱高低波。當我們連續上下抖動彈性繩，會在彈性繩上產生橫波，橫波的波形由一系列的波峰與波谷交錯組成，波峰為波形上最高的位置，波谷則為波形上最低的位置。6-1波的性質

7若連續迅速而規律地推壓及拉伸彈簧，則在彈簧圈中會產生什麼現象？連續而規律的推壓或拉伸彈簧時，可以產生一系列由密部與疏部交錯組成的波形，向前傳播。6-1波的性質

8當迅速地推壓彈簧時，可以產生彈簧圈較密集的部分，稱為密部；當迅速地拉伸彈簧時，可以產生彈簧圈較疏離之部分，稱為疏部。6-1波的性質

9如果，將彈簧圈的前後蓋住，只留下一小段可以觀察到，則將看到什麼現象？彈簧圈左右振動，並不隨波動前進。這種介質內質點的振動方向與波動的行進方向平行的波動稱為縱波，又稱為疏密波。6-1波的性質

10聲音的產生是由於聲源的振動，當聲源的振動膜向右移動時，則擠壓空氣分子形成密部，當振動膜向左移動時，則空氣分子舒張形成疏部。若振動膜不停的振動便產生一連串的密部與疏部，向前傳播，由於空氣分子的振動方向與聲波的傳播方向平行，在空氣中傳播的聲波也是一種縱波。6-1波的性質

11二、波長、頻率和波速6-1波的性質

12波的基本定義－波長與振幅波長（λ）：重複波形之最小距離，如繩波的波長為相鄰兩波峰之間的距離，也等於相鄰兩波谷之間的距離。振幅（A）：介質中質點振動時與平衡位置間的最大距離。6-1波的性質

136-1波的性質動畫－彈性繩上橫波的波長與振幅

14波的基本定義－週期與頻率週期（T）：完整振動一次所需的時間；將彈性繩一端由平衡位置向上移動、返回平衡位置、向下移動、再返回平衡位置，便可產生一個完整的波，這一過程中所需的時間即為週期。頻率（f）：1秒內所產生的波數則稱為頻率。6-1波的性質

15若完整振動三次需時兩秒，則振動週期(T)為何？頻率(f)為何？因為，一個完整振動所需的時間為週期，所以週期（T）＝2/3秒因為，一秒內所產生的振動個數為頻率，所以頻率（f）＝3/2秒-1，秒-1又稱赫茲。6-1波的性質

16由週期（T）＝2/3秒與頻率（f）＝3/2秒-1可見週期與頻率的關係為何？週期×頻率＝1即週期＝1/頻率頻率＝1/週期6-1波的性質

17如右圖所示是一向右行進的橫波在不同時刻的波形。若觀察藍點波峰隨時間的變化，會有什麼感覺？若只注意觀察藍點波峰隨時間的變化，可見到波往右行進傳播的情形。6-1波的性質

18如右圖所示是一向右行進的橫波在不同時刻的波形。若觀察紅色固定點的變化，則又有什麼感覺？若只注意觀察紅色固定點隨時間變化，則可見到介質上下振盪的情形。6-1波的性質

19藍點波峰在一個週期內往右行進傳播一個波長。即波動在一個週期內前進一個波長。波長週期T所以波速＝波長週期＝波長×頻率將二者結合一起，則會有什麼感覺？6-1波的性質

206-1波的性質動畫－橫波示意圖

21人耳可聽到的聲波頻率範圍約為20赫茲至20,000赫茲之間，稱為可聞聲，頻率高於20,000赫茲的聲波稱為超音波或超聲波，頻率低於20赫茲的聲波稱為聲下波或次音波。若空氣中之聲速為340公尺／秒，求可聞聲之波長範圍？6-1例題････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････6-1波的性質

22由，因聲速為定值，最大頻率對應最短波長，最小頻率對應最長波長340=λmin．20000，λmin=1.7×10-2m=1.7cm340=λmax．20，λmax=17m故可聞聲之波長範圍為1.7公分至17公尺。･･････････････････････････････････････････････････････････････解･･･････････････････････････････････････････････････････････6-1波的性質

23三、水波的觀察6-1波的性質

24影片－水波槽實驗裝置—直線型水波6-1波的性質

25水波槽可以用來觀察水波的特性；藉由把水波投影在其下方的屏幕上，我們可以觀察水波的行進、反射、折射、干涉與繞射等現象。6-1波的性質

26水波在水波槽中產生時，水波的高低起伏對光線有會聚與發散的現象，這些光線在下方的屏幕上出現亮紋與暗紋，並且隨著水波的傳播而移動，亮紋與暗紋分別對應水波的波峰與波谷。6-1波的性質

276-1波的性質動畫－水波槽實驗示意圖

28波源與波前常見的波源有：點波源、直線波源兩種。波峰的連線稱為波前與波傳播的方向垂直。6-1波的性質

296-1波的性質動畫－水波傳播方向與波前垂直

30四、波的反射6-1波的性質

31對著山谷大聲喊叫，過了一段時間後可以聽到回聲，這是因為聲波經過遠方山壁的反射所致。6-1波的性質

32回聲現象在大講堂中會造成演講者聲音之模糊與不清楚，所以在大講堂中常常會懸掛可以吸收音波的布幕或是窗簾，以減少回聲的現象。以超音波進行產檢或檢測金屬裂縫，或以聲納探測海洋深度即為聲波反射的應用。6-1波的性質

33若回聲於0.1秒之內返回人耳，人耳即無法分辨回聲與原發出的聲音。若聲速為340公尺／秒。人在山谷大聲喊叫，可清楚聽見回聲，則人與反射面之間的距離至少多遠？6-2例題････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････6-1波的性質

34設人與反射面距離為d，則聲波以340m/s之速度來回2d費時t，t必須大於0.1秒，t=2d/340>0.1，d>17(m)距離至少須17公尺，才可清楚聽見回聲。http://www.mammalz.com･･････････････････････････････････････････････････････････････解･･･････････････････････････････････････････････････････････6-1波的性質

35影片－直線形水波的反射6-1波的性質

36直線形水波的反射如圖顯示直線波遇到平直的反射壁後發生反射的情況，反射波的波長、頻率皆沒有改變。6-1波的性質

37五、波的折射6-1波的性質

38影片－水波的折射6-1波的性質

39波動由一介質進入另一介質，波速會改變，有部分透射，部分反射的現象，為一般波動的特性。當波以一入射角進入另一種介質時，透射波行進方向發生改變的現象，稱為折射。6-1波的性質

40水波由深水區進入淺水區時，水波將會如何改變？水波的波長λ會變小，由於折射後水波的頻率不變，由v=fλ，可知水波的傳播速率會變小，並且波的傳播方向會偏向法線。6-1波的性質

416-1波的性質動畫－水波由深水區進入淺水區

42水波由淺水區進入深水區時，水波將會如何改變？當水波由淺水區進入深水區時，它的速率會增加，而波的傳播方向會偏離法線。6-1波的性質

436-1波的性質動畫－水波由淺水區進入深水區

44已知水波在深水中的波速較淺水中大。右圖為一水波槽內水波折射的照片，試問A區與B區哪一區為深水區？若水波在B區由下方鉛直向上傳播，經由二區之界面進入A區，波的行進方向將向左偏或向右偏？6-3例題････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････界面處已標示一點P，請於圖上畫出經過P點之法線、入射方向（入射線）與折射方向（折射線）。6-1波的性質

45由v=fλ，折射時頻率f不變，波長與波速成正比。觀察圖形可知，B區之波長較A區大，所以B區之波速亦較A區大。故B區為深水區、A區為淺水區。由深水區進入淺･･････････････････････････････････････････････････････････････解･･･････････････････････････････････････････････････････････水區時，類似玩具車由平滑地板進入地毯，左側突然變慢，故向左偏向，即偏向法線，故入射角較折射角大。6-1波的性質

46六、波的干涉與繞射6-1波的性質

47把兩顆小石子同時投入水中後，所產生的結果如下，從此結果可以看出什麼嗎？兩個波相會在一起，波形會重疊，波會互相干擾而組成合成波，稱為波的干涉。6-1波的性質

48影片－水波的干涉6-1波的性質

49從照片或影片中，可以看出什麼嗎？兩組圓形波交會時，會因兩波疊合而產生如圖之干涉現象。當波峰與波峰相遇，振動的波幅變大；當波峰與波谷相遇，振動的波幅變小。亮區灰色線條6-1波的性質

50影片－水波的繞射6-1波的性質

51顯然，直線形水波在障礙物的邊緣處，並沒有完全被阻礙，而有向阻礙範圍內偏折的現象。阻礙範圍6-1波的性質

52影片－水波的狹縫繞射6-1波的性質

53顯然，直線形水波在通過狹縫後，並沒有走直線，而是會向狹縫邊緣的兩側偏折。6-1波的性質

54水波通過橋孔流出時，會產生如下的結果，從此結果可以看出什麼嗎？水波經過小孔或狹縫時，波動不走直線而是散向兩旁，這種波動散開的現象，即為繞射。6-1波的性質

556-4例題････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････如右圖，空曠的操場上，跳高安全墊後躲著一隻狗。小康看的見狗嗎？聽的到狗叫聲嗎？光波與聲波對同一個障礙物而言，何者較易繞射？6-1波的性質

56狗位於跳高安全墊後方，狗身上之光波被跳高安全墊擋住，小康看不見狗。但若狗吠叫，則因聲波繞射，可繞過跳高安全墊，小康聽得見狗叫聲。聲波的波長較光波大，對同一障礙物而言，聲波較易繞射。･･････････････････････････････････････････････････････････････解･･･････････････････････････････････････････････････････････6-1波的性質

57七、都卜勒效應6-1波的性質

586-1波的性質影片－都卜勒效應

59想一想：救護車靠近與遠離時，聲音有什麼不同呢？救護車接近時，警笛的音調聽起來較高。救護車遠離時，警笛的音調聽起來較低。因聲源與聽者間的相對速度，造成音調產生高低變化的現象，稱為都卜勒效應。6-1波的性質

60聲源不動，只有聲波往右傳播，聽者也不動，算算看，此時聽者共接受到幾個波？可看出，總共通過3個波。6-1波的性質

61聲源不動，只有聲波往右傳播，同時聽者向左移動，算算看，此時聽者共接受到幾個波？可看出，此時總共通過6個波。6-1波的性質

62聲源不動，只有聲波往右傳播，同時聽者也向右移動，算算看，此時聽者共接受到幾個波？可看出，此時總共通過1個波。6-1波的性質

63所接收到的總波數增加，所以聽到的聲音頻率變高了；反之，聽者遠離聲源，必須花較多的時間才能接觸到下個波，每秒所接收到的波數變少，所以聽到的聲音頻率會變低。當聲波向四周擴展，聲源發出的聲波波前形成同心圓。由於聽者向聲源接近，花較少的時間就可以接觸到下個波，每秒聽者所接收到的波數比靜止時更多，由於每秒6-1波的性質

64聲源不動時，所產生聲波的波前仍為同心圓，若聲源等速向右移，所產生聲波的波前將變成什麼樣子？聲源等速右移的結果，導致較晚發出的聲波的圓心愈偏右方，而使右邊波前間隔較窄，波長變短，左邊波前間隔較寬，波長變長。6-1波的性質

65聲源右側的靜止聽者，接收的聲波波長縮短，但聲速不變，所以聲波的頻率便變高了。聲源左側的靜止聽者，接收的聲波波長變長，但聲速不變，所以聲波的頻率便降低了。6-1波的性質

66當光源與觀察者間發生相對運動時，光波也有都卜勒效應。例如天文觀測中，星體遠離我們時，發出的光頻率降低，波長變長，可見光光譜中的位置往波長較長的紅光方向移動，稱為紅移；反之，星體靠近我們時，發出的光頻率升高，波長變短，稱為藍移。6-1波的性質

67圖片來源：http://florencelai.blogspot.com/2010/07/blog-post.html交通警察測速即是測得雷達反射波的頻率變化而可以反推車速的快慢，這是都卜勒效應的應用。圖片來源：http://www.jingchazhuangbei.com/upfile/2009101411123732834.jpg6-1波的性質

686-1波的性質動畫－都卜勒效應

69THEEND6-1波的性質