大学物理演示实验——弦驻波的演示实验

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大学物理演示实验论文

一、实验名称:弦驻波演示

二、主要装置:振荡器(调节振动源的振幅和频率),振动源,松紧

带(充当驻波的介质)

三、物理原理:

当振动频率,振幅和振动方向相同的两列简谐波,在同一直线沿着相反的方向传播时,产生特殊的干涉现象,即驻波。在波的传播过程中,当波由波密媒质进入波疏媒质时,在分界面处,反射波与入射波同相位,没有半波损失。当波由波疏媒质进入波密媒质时,在分界面处,反射波与入射波有π的相位突变,有半波损失。所以驻波在两固定端形成的是波节。相邻波节和波腹的距离为

因为波长有一定限制,一波长和松紧带的长度应满足如下条件是才能形成驻波。

四、实验现象:

当振动频率,振幅和振动方向相同的两列简谐波,在同一直线沿着相反的方向传播时,产生特殊的干涉现象,即驻波。松紧带的两端分别与振动源和固定端(入射波反射点)相连。当振荡器开启时,将会形成简谐波,入射波和反射波干涉,当频率波长满足条件时将在松紧带上形成驻波。

因为波长有一定限制,一波长和松紧带的长度满足如下条件时才能形成驻波。

调节合适的频率与振幅使得驻波形成之后,可以看到在驻波中,直线上的某些始终静止不动,这样的点叫做波节。某些点的振幅具有最大值,这些点称为波腹。波腹处的振幅等于一个波的振幅的两倍。固定端形成的永远是波节。波形上的不同点以不同的振幅在波节两边以相同的频率做往复运动。两波节中间的点,振幅最大;越靠近波节,振幅越小。此时绳上的各点,只有段与段之间的相位突变,没有震动状态或相位的逐点传播,没有什么能量向外传播。每一个节点的两侧的各点总是向相反方向运动,当右边的点向上移动时,左边的点向下移动,说明节点两边的位相相反。而相邻两节点间的各点,虽然它们的振幅不同,但它们却同时经过平衡点,同时达到最大值,和最小值,各点的向相同方向运动,说明它们具有相同的位相。

分别改变振动频率以及振幅,观察松紧带的振动情况。频率增大,驻波形成的越多,即两波节之间的距离越小。

五、思考题:

1、驻波中,质点能量没有流动吗?

驻波是媒质的一种特殊运动状态,它是稳定态。能量从波腹传到波节,又从波节传到波腹,往复循环,能量不被传播。当介质中各质点的位移达到最大值时,其速度为零,即动能为零。这时除波节外所有质点都离开平衡位置,而引起介质的最大的弹性形变,所以这时驻波上的质点全部能量都是势能。由于波节附近的相对形变量最大,所

以势能最大。而在波腹附近的相对形变为零,所以势能为零。因此驻波的势能集中在波节附近。

驻波的全部能量都是动能。这时在波腹处的质点的速度最大,动能最大;而在波节处质点的速度为零,动能为零。因此驻波的动能集中在波腹附近。由此可见,介质在振动过程中,驻波的动能何时能不断地转换。在转换的过程中,能量不断地由波腹附近转移到波节附近,再由波节附近转移到波腹附近。在行波中能量随波的传播而不断向前传递,其平均能流密度不为零;但驻波的平均能流密度等于零,能量只能在波节与波腹间来回运行。

即驻波进行过程中没有能量的定向传播。

2、一根弦上,当传有传播方向相反的两列波时,一定形成驻波吗?

不一定。两列波不紧要传播方向相反,还要求振动方向相同、振幅相同、频率也相同,这样的的平面简谐波叠加才会形成驻波。没有相位的条件,因为不同点的相位差不同,合振幅不同,同相点振幅最大称为波腹,反相点振幅为零称为波节。

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