大学物理演示实验——弦驻波

大学物理演示实验 探究 李海鹏一、 实验名称：弦驻波现象的探究二、 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 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。五探究的思考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