水波槽實驗

把課本的必做實驗「水波槽實驗」搬到螢幕上。水槽上方的燈把水波投影在下方的白紙上:波峰把光會聚成亮紋、波谷留下暗紋。用閃頻儀讓條紋靜止,再觀察水波遇到各種障礙物的反射、在深淺水交界的折射、經過障礙物與狹縫的繞射,以及兩點波源的干涉——像真的做實驗一樣用直尺測量、記錄數據表並作圖分析。

試試看:打開「閃頻儀」、把 fs 調到 10 Hz 讓條紋停住,再拖曳出直尺量波長。

亮紋 = 波峰(會聚光) 暗紋 = 波谷 薄壓克力板(淺水區) 直尺 3D:波高放大 30 倍;拖曳旋轉、雙指或滾輪縮放

量測與記錄

直尺跨過的波長數 N: 5

數據表

分析

實驗說明

實驗目的

  1. 看直線波前與圓形波前遇到直條、凹弧、凸弧障礙物時怎麼反射。
  2. 看波前從深水進入淺水時怎麼偏折(折射),並和波速、波長的改變連起來。
  3. 看水波繞過短障礙物、穿過狹縫後向外散開(繞射),以及散開的程度和波長、縫寬的關係。
  4. 看兩個同相點波源的干涉圖樣,找出節線與腹線上的波程差。

實驗器材

玻璃底的水波槽(有腳架與調水平螺絲)水槽下方的白紙
直線起波器;兩個圓形起波器(點波源)電源供應器(可變電阻調頻率)
閃頻儀與光源(或一般強光源)貼在槽壁的海綿條
壓克力塊(厚的當障礙物、薄的造出淺水區)圓弧形與長條形障礙物、水平儀、直尺

原理

為什麼有亮紋與暗紋?起伏的水面像一大片小透鏡:波峰向上凸,把光會聚到白紙上(亮紋);波谷把光散開(暗紋)。光線被水面的斜率偏折後再走 \(d\) 到白紙,由光的能量守恆可得

\[ I \approx \frac{I_0}{1 + \kappa\,\nabla^{2}u}, \qquad \kappa = d\left(1 - \frac{1}{n}\right) \]

\(u\) 是水面高度、\(n = 1.33\) 是水的折射率;波峰處 \(\nabla^2 u < 0\),所以 \(I > I_0\)。燈若是在水面上方高度 \(L\) 處的小燈泡(點光源),白紙上的影像是水面放大

\[ M = \frac{L + d}{L} \]

倍的相似形:所有長度(包括亮紋的間距)都是實際的 \(M\) 倍,角度則不變。只有平行光時 \(M = 1\)。

波速與水深。起波器決定頻率 \(f\),波速 \(v = f\lambda\) 則由水深 \(h\) 決定。水波的回復力來自重力與表面張力 \(\sigma\):

\[ \omega^{2} = \left(g k + \frac{\sigma k^{3}}{\rho}\right)\tanh(k h), \qquad \omega = 2\pi f,\quad k = \frac{2\pi}{\lambda} \]

水愈淺 \(\tanh(kh)\) 愈小,同樣的 \(f\) 之下波速愈慢、波長愈短;水很淺、波長很長時化簡為 \(v \approx \sqrt{g h}\)。

反射。入射角 \(\theta_i\) 是入射波前與障礙物的夾角(等於射線與法線的夾角),反射波前與障礙物的夾角相同:\(\theta_r = \theta_i\)。半徑 \(R\) 的凹弧把直線波會聚在焦點 \(F \approx R/2\) 附近;凸弧使波散開,好像從障礙物後方的一點發出。圓形波遇到直條障礙物反射後,好像從障礙物後方的「像」波源發出。

折射。波進入淺水區時頻率不變,波速變慢、波長變短,波前因此偏折、射線偏向法線:

\[ \frac{\sin\theta_1}{\sin\theta_2} = \frac{v_1}{v_2} = \frac{\lambda_1}{\lambda_2} \]

繞射。水波通過寬 \(a\) 的狹縫後會散進幾何陰影區。\(\lambda\) 與 \(a\) 差不多或更大時繞射很明顯;兩側第一條暗線(節線)的方向約在 \(a\sin\theta = \lambda\)。短障礙物後方的波,走一段距離就又合攏起來。

干涉。兩個同相波源 \(S_1\)、\(S_2\) 相距 \(d\)。在 \(P\) 點,波程差 \(\Delta = |PS_1 - PS_2|\) 決定兩波相加的結果:

\[ \text{nodal line: } \Delta = \left(n - \tfrac12\right)\lambda, \qquad \text{antinodal line: } \Delta = n\lambda, \qquad N_{\text{nodal}} = 2\left\lfloor \frac{d}{\lambda} + \frac12 \right\rfloor \]

節線(nodal line)是水面幾乎不動的雙曲線(白紙上灰灰的),腹線(antinodal line)上亮暗紋最明顯。

閃頻儀。每秒閃 \(f_s\) 次的燈只讓我們在閃光的瞬間看到水面。\(f_s = f\)(或 \(f/2, f/3, \ldots\))時每次閃光看到的波都在同一位置,條紋看起來靜止;\(f_s\) 稍微不同時,條紋會慢慢移動。調到靜止,也是精確量出 \(f\) 的方法。

實驗步驟

  1. 架設與波長:先用水平儀把槽底調水平(選「含誤差」可以練習),槽壁放海綿,開直線起波器,再開閃頻儀並調 \(f_s\) 讓條紋靜止。用直尺跨過好幾條亮紋,記錄紙上的長度與跨過的波長數,算出 \(\lambda\) 與 \(v = f\lambda\)。
  2. 反射:把直條障礙物斜放。直尺沿著入射波前擺放,記錄 \(\theta_i\);再沿著反射波前擺放,記錄 \(\theta_r\)。換至少三個角度重做。再換凹弧、凸弧與單點起波器觀察。
  3. 折射:把薄壓克力板放在槽底,板上仍有薄薄一層水。先讓板邊和起波器平行,比較深水的 \(\lambda_1\) 與淺水的 \(\lambda_2\);再把板轉斜,記錄好幾組 \(\theta_1\)、\(\theta_2\)。
  4. 繞射:觀察短障礙物後方,改變障礙物長度。再做出狹縫,改變縫寬 \(a\) 與頻率,記錄 \(a\)、\(\lambda\) 與中央亮帶旁第一條暗線的方向 \(\theta\)。
  5. 干涉:換成兩個點波源。先記錄 \(\lambda\),再把探針 \(P\) 放在節線、腹線上記錄 \(PS_1\)、\(PS_2\)。改變 \(f\) 與 \(d\),重新數節線。

注意事項

問題與討論

  1. 為什麼波峰在白紙上是亮的、波谷是暗的?把白紙放得更低,亮暗的對比會怎樣?
  2. 燈在水面上方 60 cm 時,白紙上相鄰亮紋的間距等於水波的波長嗎?要怎麼修正?
  3. 折射實驗中,板邊兩側哪些量改變了——頻率、波速、波長?用你的數據檢查 \(\sin\theta_1/\sin\theta_2\) 是否等於 \(\lambda_1/\lambda_2\)。
  4. 狹縫稍微太寬、繞射不明顯,而且不能改變縫寬與水深,還可以調整什麼?
  5. 兩波源相距 5 cm,頻率 8 Hz 與 15 Hz 時各預期有幾條節線?數數看。
  6. 同一塊壓克力板,為什麼低頻時折射比高頻時明顯?

觀察重點

模擬方法

參考資料