先前我們已經介紹過水波的許多現象 包含反射、折射、干涉、繞射 那麼我們如何在實驗操作上 把平常不容易觀察的水波震盪或干涉現象 變得容易觀察呢？ 讓我們來看看吧 在進行實驗前 我們先來認識水波槽實驗的各項儀器 除了水波槽外 在水波槽四周加裝海綿 還會有電源供應器、光源閃頻儀、 起波器、障礙物、壓克力塊 在水波槽周圍的海綿 主要是隔絕水波的反射 避免干擾原有的實驗結果 起波器 主要是可以調控產生圓形水波或是直線水波 壓克力塊則是可以擺在水波槽內 產生不同深度的水位 用以觀察折射現象 也可以當成障礙物 讓水波產生反射 而各種障礙物 則是模擬各項反射或繞射條件 而電源供應器 會和起波器、光源閃頻儀同步運作 當調整電源的頻率旋鈕時 可以改變起波器的振動頻率 並且使光源閃頻的頻率和起波器頻率一致 這樣就能方便我們觀察到水波呈現靜止狀態 我們能觀察到亮線 是因為水面波峰附近受到光源照射時 相當於一個凸透鏡 會把光線聚集起來 所以在水波槽上兩條亮線的間距 就是水波的波前相距 而因為聚焦到屏幕上 被我們觀察到的波長 稱為視波長 最後 水波槽底下會架設一個45度的平面鏡 這樣一來水波經過平面鏡反射後 直立的影像就能呈現在我們眼前 接著 我們來看看水波反射實驗怎麼進行吧 同學們還記得水波遇到障礙物反射的特性嗎？ 假設一直線波 以某個角度入射一平面 那麼在水面上 我們可以看到一道一道的直線波前 水波的行進方向會與波前垂直 行進方向與法線的夾角 即為入射角 而直線波反射後的速度方向與法線夾角 即為反射角 根據反射定律 入射角等於反射角 在進行反射的實驗時 我們可以拿壓克力片作為障礙物 並觀察水波槽呈現的影像 再將入射角與反射角記錄在表格內 接著改變不同的入射角 並測量反射角度 在水波反射的數據裡 如果記錄到的入射角和反射角相等 或接近 那麼我們可以說 水波的反射也遵守反射定律 接下來 是水波折射的實驗 如果直線水波以入射角度theta 1 從深水區進入淺水區 那麼會看到什麼現象呢？ 答案是 折射 我們知道水波在深水區的速度大於淺水區 所以進入淺水區的時候 行進方向會偏向法線 其折射角如圖中的theta 2 而由折射定律可以知道 sin theta 1除以sin theta 2等於v1除以v2 等於Lambda 1除以Lambda 2 水波速度越快 波長就越大 所以在深水區的兩波前間距 也會比淺水區的大 那麼儀器該怎麼架設呢？ 因為壓克力有厚度 可以將水波槽分割出深水區與淺水區 我們可以看到水波槽呈現出的影像如圖 可以看出深水區與淺水區的交界面 並畫出法線後 測量水波的入射角theta 1與折射角theta 2 我們可以改變五次入射角theta 1 測出對應的折射角theta 2 並且同樣測量五組深水區與淺水區的波長 Lambda 1、Lambda 2 並記錄在表格內 在水波折射的數據中 除了記錄波長與角度外 我們還可以計算Lambda 1除以Lambda 2 以及sin theta 1除以sin theta 2的值 發現不論如何改變入射角 其Lambda 1除以Lambda 2 以及 sin theta 1除以sin theta 2的值 永遠接近或相等 也就是說 水波折射也遵守折射定律 接著 我們來討論同相水波干涉實驗 如果兩個人各拿著釣竿 同步敲擊水面 將在水面上持續產生同心圓水波 而這些同心圓水波在水面上進行疊加後 某些地方振盪最劇烈 我們稱為腹點 有些地方疊加後 始終不會振盪 維持靜止水面 稱為節點 而下方就是我們看到的水波干涉圖 實驗中 我們可以用兩個點波源的起波器 來產生兩個同心圓水波 調整好電源供應器後 即可在水波槽上看到干涉圖案 這時候可以觀察 如果調整振動頻率 或是調整兩個點波源的間距 干涉條紋會產生甚麼樣的變化 我們可以發現 兩波源距離越大 在水波槽觀察到的灰色節線數就越多 這可以驗證前面學過的干涉理論 厲害的同學還可以試著測量看看 灰色節線上的點 到兩波源的波程差 是不是水波半波長的奇數倍 最後 是水波繞射的實驗觀察 如果直線水波遇到堤防的孔隙 那麼 根據惠更斯原理 可以預測直線水波通過孔隙後 會變成圓形水波 看起來就是波通過孔隙之後轉彎了 這種現象稱為繞射 如果孔隙的大小剛好跟波長接近的話 那麼繞射的程度將會最明顯 而實驗中 我們可以使用直線起波器 與電源供應器連結 接著把兩個直線障礙物平行放置 並在中間留下空隙讓水波通過 觀察水波經過空隙後 波前是會維持原來的直線波前呢？ 還是會變成圓弧形的波前呢？ 同學們可以測量水波波長 並且調整孔隙大小 如果觀察到 在波長和孔隙差不多的情況 通過孔隙的波 變成圓弧形的樣子最明顯 那麼就可以驗證水波繞射理論 以上所介紹水波的反射、折射、干涉、繞射實驗 你是不是都瞭解了呢？ 我們來思考一下這個問題 想想看 如果我們要進行水波折射實驗 那麼可能需要用到哪些器材？ 請把需要的器材勾選出來 讓我們來回答一下片頭的問題 我們可以利用光源照射水面 讓波峰位置在屏幕上呈現亮線 波谷呈現暗線 而水面不動的區域 則看起來是灰色 再藉由45度斜放的平面鏡 將經光線投影出來的影像 直立在屏幕上 方便我們觀察 且利用閃頻儀 將本來該移動的波前 讓我們看起來像是原地不動 是不是很聰明呢？ 讓我們複習一下本單元的重點 利用光源照射水面 可以讓水波的波峰、波谷更容易觀察 波前與行進方向垂直 可以用來記錄入射角、反射角與折射角 利用壓克力片 可以在水波槽中形成深水區與淺水區 閃頻儀的光源閃爍頻率和起波器的頻率一致 可以使屏幕上的波前看起來靜止不動 如果屏幕上觀察到的水波波長 與實際波長不同 應該如何修正呢？ 歡迎留言分享你的想法喔 下次見囉 bye bye