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物理 · 波 · 聲音

駐波、波節與波腹

駐波是由頻率與振幅相同、沿相反方向行進的波疊加而成,振幅的空間分布固定。波節不動,波腹的振動幅度最大。

相關實驗:共振與駐波 →
共振與駐波
共振與駐波實驗場景 →

波形是呈現靜止的狀態。

駐波的波節在所有時刻的位移皆為 0。波腹是振幅最大的位置,會持續上下運動。某一瞬間整條弦可能都通過平衡位置,但這不代表當時所有點都是波節。

相鄰的波節相隔 λ/2,以及一個波節與其最近的波腹相隔 λ/4。與傳播波不同,其波峰沿介質移動,而駐波則具有固定的波節和波腹位置。在一個波節與波腹之間的一段內,點以相同的相位振動;相鄰的段則以相反的相位振動。

哪些波長只會出現在固定線上?

該具有固定端線的波,必須在兩個端點處作為波節。由於長度 L 包含 n 個半波長,我們有 L = nλₙ/2,且 λₙ = 2L/n。如果波的傳播速度是 v,那麼自然頻率是 fₙ = nv/(2L)。

基本模式 n = 1 只有一個波腹;n = 2 有兩個波腹。對於固定在兩端的弦,模式 n 具有 n 個波腹和 n + 1 個波節,包括端點。不要將這個表示式直接應用於其他邊界條件,例如開放或封閉的管道。

如何理解駐波與共振之間的關係?

驅動一根弦靠近其固有頻率時,該模式的響應會增強。 駐波描述一種空間振動模式;共振描述對驅動的增強響應。這兩個術語並非完全相同。

模擬結果顯示了一個選定的模式的穩態響應。 在實際的弦中,驅動位置會影響哪些模式表現更強,並且多個模式可能會相互重疊。 阻尼會改變響應的幅值,以及共振的銳度。

關鍵關係與符號

L = nλₙ/2 · λₙ = 2L/n · fₙ = nv/(2L), n = 1, 2, 3, …

符號及公式中使用的單位
符號含義單位
L字串長度m
n模式編號正整數
v波動傳遞速率m/s
fₙ第 n 個自然頻率Hz

透過範例確認

什麼是 1 米長,波速為 10 米/秒的固定端弦的兩個前沿模式?

基頻為 5 Hz,波長為 2 m。第二模式為 10 Hz、波長 1 m,形成兩個波腹和三個波節。

常見誤解

  • 波腹是振幅最大的位置,並非始終位於最高處的點。
  • 波節與相鄰波腹的距離為 ¼ 波長,而非半個波長。

透過實驗探索這個概念

參考文獻

OpenStax · 物理章節 (英文)