淺析高中物理中波相遇的問題

楊描宇

淺析高中物理中波相遇的問題

楊描宇

（明德中學(xué) 湖南長沙 410000）

在高中物理教程中涉及的一個(gè)內(nèi)容就是機(jī)械波的問題，是高中生必學(xué)的一個(gè)內(nèi)容。本文主要探討關(guān)于機(jī)械波的相遇現(xiàn)象，所謂機(jī)械波的相遇其實(shí)指的就是波的干涉。在物理機(jī)械波干涉的學(xué)習(xí)過程中，需要了解波的疊加原理以及疊加現(xiàn)象是怎樣形成的。理解穩(wěn)定干涉圖樣的形成所需要的條件；理解干涉圖樣中加強(qiáng)點(diǎn)、減弱點(diǎn)的振動(dòng)情況。在波的干涉中又涉及哪些方面的內(nèi)容，波和波的干涉又會(huì)相互有什么影響，以下主要針對(duì)這些方面進(jìn)行分析。

高中物理；機(jī)械波；相遇；疊加；干涉

很多情況下，每一列波在介質(zhì)中的傳播都不是單獨(dú)進(jìn)行的，同時(shí)存在其他很多波進(jìn)行一起傳播，比如說將兩塊石子一同扔進(jìn)同一面湖水中，這兩塊石子都會(huì)產(chǎn)生自己的波，當(dāng)這兩種波相遇時(shí)，它們又會(huì)產(chǎn)生怎樣的影響，波的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會(huì)不會(huì)改變，值得我們進(jìn)一步探討。

1 波的相遇疊加

在平時(shí)生活中，經(jīng)常可以看到波相遇的現(xiàn)象。例如在兩個(gè)人共同牽著一根繩子，同時(shí)在繩子兩端甩動(dòng)一下，就可以產(chǎn)生兩條波在繩子上面?zhèn)鞑ィ?dāng)兩條波相遇之后彼此穿過，繼續(xù)傳播，此時(shí)兩條波的傳播形狀和情形跟相遇之前表現(xiàn)出來的狀況是一致的。由此可以知道波進(jìn)行相遇之后并不改變它們相遇之前傳播的狀態(tài)，各自保持原有的狀態(tài)繼續(xù)傳播下去，相互之間都不受到影響，就好像從沒相遇一樣。而在波與波的相遇過程中，終究會(huì)有一些影響，主要體現(xiàn)在波的位移方面的增強(qiáng)或是減弱。

1.1 位移特點(diǎn)

任意一列波在介質(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)中的每個(gè)質(zhì)點(diǎn)都要同時(shí)參與兩個(gè)分運(yùn)動(dòng)：①波傳播方向的位移；②質(zhì)點(diǎn)在波振動(dòng)方向的位移。而兩個(gè)波相遇時(shí)，對(duì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向的位移有影響，其相遇后的振動(dòng)方向的位移是兩列波的矢量和。假如兩種波的振動(dòng)方向相同，那么相遇后振動(dòng)方向的位移是這兩個(gè)波的位移大小之和；方向相反的話，那么相遇后振動(dòng)方向的位移是這兩個(gè)波的位移大小之差。

1.2 波的獨(dú)立特點(diǎn)

只要是在同一介質(zhì)中傳播，不管有多少列波在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，在這期間又不管與多少列波產(chǎn)生相遇，其任意一列波都保持自己原有的傳播狀態(tài)繼續(xù)按著原來的方向進(jìn)行延伸，不受任何波的影響，就像從未相遇那般，該怎么傳播還是怎么傳播。而在各列波相遇重疊的區(qū)域里，每列波的質(zhì)點(diǎn)都同時(shí)參與這幾列波所產(chǎn)生的振動(dòng)，仍舊在質(zhì)點(diǎn)各自的平衡位置附近做簡諧運(yùn)動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)的位移是相遇疊加的所有波中質(zhì)點(diǎn)位移的矢量和。

1.3 疊加原理

從中可以了解到波和波的相遇對(duì)他們的傳播狀態(tài)沒有影響，而對(duì)他們?cè)诮橘|(zhì)中傳播時(shí)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)位移有聯(lián)系，在波和波重疊的區(qū)域內(nèi)，介質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)參與每列波的振動(dòng)，其振動(dòng)位移是所有波單獨(dú)傳播時(shí)質(zhì)點(diǎn)位移的矢量和。

2 波的干涉

把兩根金屬絲固定在同一個(gè)振動(dòng)片上，當(dāng)振動(dòng)片振動(dòng)時(shí)，兩根金屬絲周期性地觸動(dòng)水面，形成兩個(gè)波源，類似這種情況產(chǎn)生的振動(dòng)叫做波的干涉，跟前面所說的兩石子引起水面振動(dòng)也是波的干涉現(xiàn)象。

2.1 波的干涉特點(diǎn)

當(dāng)兩列頻率相同的波在同一介質(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)中的每個(gè)質(zhì)點(diǎn)都做簡諧運(yùn)動(dòng)。所不同的是，由于各質(zhì)點(diǎn)離兩個(gè)波源距離各不相同，所以各質(zhì)點(diǎn)的振幅不同。其中可能出現(xiàn)的最大振幅是這兩列最大振動(dòng)位移大小之和，而最小振幅是這兩列最大振動(dòng)位移大小之差，所有的振幅大小都介于這最大振幅和最小振幅之間。在整個(gè)振動(dòng)相遇過程中，它們可能是相互加強(qiáng)也可能是相互減弱，在振動(dòng)加強(qiáng)區(qū)域里，兩列波分別引起的質(zhì)點(diǎn)的位移總是同方向，所以合位移大小是兩位移大小之和，因此質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)總是加強(qiáng)。在振動(dòng)減弱區(qū)域里，兩列波分別引起質(zhì)點(diǎn)的位移總是方向相反，所以合位移是兩位移大小之差，因此質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)減弱了。加強(qiáng)區(qū)和減弱區(qū)都是進(jìn)行規(guī)律的相遇或離開，而且重疊區(qū)域具有穩(wěn)定性，不受到時(shí)間的影響。

2.2 產(chǎn)生干涉的條件

兩列波相遇不受任何因素的影響，都會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，假如要讓相遇的波能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉，那么相遇的兩列波必須是同樣的頻率。當(dāng)兩列波的頻率不同時(shí)，相遇疊加的區(qū)域其振幅會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化，其產(chǎn)生的干涉現(xiàn)象就不是穩(wěn)定的。頻率相同的兩列波在同一介質(zhì)中進(jìn)行傳播，每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)都在做簡諧運(yùn)動(dòng)，由于波源的距離不同，所以相遇后其疊加后的振幅不同，可能是加強(qiáng)也可能是減弱，但形成的干涉圖樣終究是穩(wěn)定的。因此，產(chǎn)生穩(wěn)定干涉的條件是這兩列波的頻率必須相同，不管是水波、聲波，還是其他波都能夠產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。

3 結(jié)語

在自然界中，發(fā)生這各自干涉現(xiàn)象，例如水波、聲波等，因此需要重視高中物理中關(guān)于波方面的學(xué)習(xí)。波是需要通過介質(zhì)進(jìn)行傳播，只有相同頻率的波相遇的時(shí)候才，在疊加的區(qū)域才會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉圖樣，由于波源的距離不同，其有可能是相互增強(qiáng)，也可能是相互減弱。波在質(zhì)點(diǎn)的傳播過程中，所有質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)都是進(jìn)行重復(fù)動(dòng)作，并且后方質(zhì)點(diǎn)永遠(yuǎn)都是在重復(fù)前方質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，總是要比前面的質(zhì)點(diǎn)滯后。在學(xué)習(xí)波相遇的過程中，會(huì)發(fā)現(xiàn)很多生活中曾經(jīng)沒有注意到的現(xiàn)象其實(shí)就是在發(fā)生波的干涉。

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