先備知識簡諧運動

從彈簧連接的粒子到波

在繃緊的弦上,粒子上下振動,波峰向右傳播。改變張力,比較波峰前進2.0 m⁠所需的時間。

張力100 N→400 N⁠で、山が2.0 m⁠進む時間は何倍か?

用公式解釋現象

  1. 1以彈簧連接2⁠個重物m d²x₁dt²=⁠−k x₁+⁠k (x₂ − x₁)……
  2. 2將振動分解為2⁠種模式ω₁ = √(km)⁠,ω₂ = √(3km)……
  3. 3以彈簧將多個粒子連成一列m d²yjdt²=⁠k (yj+1 − 2yj + yj−1)……
  4. 4求繃緊弦上一小段所受的力ρa d²yjdt²≒⁠(Sa)(yj+1 − 2yj + yj−1)……
  5. 5間距a⁠遠小於波長時,以二階導數顯示左右斜率之差yj+1 − 2yj + yj−1≒⁠a² ∂²y∂x²……
  6. 6代入運動方程式,整理為波動方程式在連續極限下∂²y∂t²=⁠c² ∂²y∂x²……
  7. 7求弦上的波速c=⁠√(Sρ)……
  8. 8求保持形狀傳播的解y=⁠f(x − c t)……
  9. 9以方程式顯示正弦波y=⁠A sin 2π(tT − xλ)……
  10. 10改變振動方向∂²u∂t²=⁠c² ∂²u∂x²……
  11. 11保留間距a⁠,代入正弦波v=⁠c×⁠sin(πa/λ)πa/λ……