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物理 · 波 · 聲音

波的疊加與干涉

當兩個波線上性介質中相遇時,在特定點上的位移等於每個波單獨產生的位移之和。由於這種疊加現象,波的幅值會增加或減少,這種現象被稱為干涉。

相關實驗:兩列波的干涉 →
兩列波的干涉
兩列波的干涉實驗場景 →

新增波的位移

如果位移相對於固定位置是正值和負值,則總位移為 y = y₁ + y₂。當波峰相遇時,波形會變高;當波峰與波谷相遇時,它們相互抵消。在相同位置,同時新增波的位移,而不是僅僅相加它們的振幅。

線性波可以在被重疊後,繼續其獨立的傳播。 兩個脈衝短暫地重疊並變得平坦的事實,並不意味著波已經消失。 在分析干涉現象時,重要的是將單個波與合併後的波進行比較。

相位差是指振動時間上的差異。

當兩個頻率相同的波具有相同的相位時,相位差為 0°,結果是相干。如果相位差為 180°,一個波會向上,另一個波會向下。為了在一點上實現完全相消干涉,這兩個波的振幅必須相等。

與相同的頻率和振幅 A,結果的振幅是 2A|cos(Δφ/2)。 Δφ 代表兩個波之間的相差。如果相差為 90°,結果的振幅是 √2A; 即使相差為 180°,兩個振幅將會不同,從而產生餘震。

為什麼振動的頻率會導致結果的複合波持續變化?

隨著時間的推移,一個訊號相對於另外兩個訊號的相位變化頻率會發生變化。這並非因為我們持續地強調它們最初相位相同。當你將兩個最接近的頻率相加時,你可以觀察到頻率大小的緩慢波動。

在實驗中,估計的振幅,被假設為在一定時間內的最大和最小值,可能會因觀察到的範圍而變化。當比較兩個不同的頻率時,不要僅僅檢視單個幀;而是徹底分析觀察到的點的時域圖。實驗中的兩個訊號是獨立設定的簡單波形。

關鍵關係與符號

y = y₁ + y₂ · A_resultant = 2A|cos(Δφ/2)| (等幅、等頻率)

符號及公式中使用的單位
符號含義單位
y₁, y₂個體在相同位置和相同時間下的位移m
A每個波的振幅m
Δφ相位差° 或 rad

透過範例確認

當結合具有相同頻率和振幅為 0.3 米的相同波時,結果是什麼?

在相位差為 0° 時,結果的振幅為 0.6 m,而在 180° 時,振幅為 0。 如果我們使用 0.3 m 和 0.2 m 這兩個振幅來區分這兩個振幅,那麼相位差為 180° 時,結果為 0.1 m。

常見誤解

  • “反相”這一條件單獨並不保證完全抵消。 振幅也必須相等。
  • 存在一個抵消點的事實,並不意味著波的總體能量消失。

透過實驗探索這個概念

參考文獻

OpenStax · 物理章節 (英文)