例子问题
例子问题1:谐波与驻波
吉他弦的长度是.如果弦振动的波长是,它振动的谐波是多少?
第二个
第三
第一个
第五
第四
第四
吉他弦系在吉他的两端;因此,字符串的每一端都是一个节点。由此,我们可以说,第一个谐波只包含一个反拍子。每当我们添加另一个逆节和节点(或半个波),我们就会到达下一个谐波。我们可以说,弦上的副节数告诉我们演奏的是什么和声。
问题陈述告诉我们弦的长度是0.5m,波长是0.25米。这告诉我们在吉他弦中有两个完整的波。这样我们就有了四个逆节;因此我们处于四次谐波。
例子问题3:纵波和横波
下列哪个是驻波?
振动的小提琴弦
海浪每十秒就会撞击一个码头
一辆公共汽车隆隆驶过一座金属桥
电风扇发出的声音
波长恰好为
振动的小提琴弦
驻波的一个简单定义是一种自我增强的波,也就是说,波通过介质的反射会导致波的某些区域放大(反节点)和某些区域抵消(节点)。换句话说,共振必须发生,这通常意味着波以某种方式受到限制。
风扇和公共汽车会发出噪音和振动,但声音不会产生共鸣。它可以传播,但不局限。具有特定波长的光没有“共振”特性,撞击码头的波也没有。如果波浪被限制在一个港口,这样它们就可以放大,就有可能产生驻波。被困在微波炉里的微波具有这一特征,产生强烈加热的逆节和没有能量传输到食物中的节点;这就是为什么微波炉有旋转平台,使食物加热更均匀。
一根小提琴弦会被看作有离散的、稳定的运动区域和缺乏运动的驻波现象的要求。弦上的反射点是弦的两端。波的振动被限制在弦内,当节点重叠时放大声音。
例子问题1:谐波与驻波
长度的一串处于紧张状态并连接在频率发生器上以频率振荡这样就能看到驻波。然后调整张力。这些新张力中哪一个会在系统中表现出驻波?
弦上驻波的频率方程为:
如果是这样的话接受整数值。的值调整时对答案的选择,只有会保持这种平等。
问题4:谐波与驻波
给定一根2m长,两端固定的弦,驻波可能的最长波长是多少?
有两个开放端点的弦上的驻波可能的波长为:
在哪里弦的长度和驻波的最长波长可能发生在什么时候,因此:
例子问题1:谐波与驻波
给定一个开口长度的管子,它的基频是多少?
假设通过管道的波是有速度的声波:
首先,由于这是一个开放的管道,基于波长的所有谐波方程可以为:
,在那里是列的长度,是波的波长,和是整数形式的调和。
利用波长之间的关系和频率:
,在那里是波速。
由于我们讨论的是空气中的声波,我们知道它的波速为:
.我们也知道列的长度是
我们也知道基频发生在.因此:
例子问题2:谐波与驻波
基频是多少驻波速度为通过一串长度?
驻波的频率与波速和波长的关系由:
,在那里是波速,和是材料的长度,和是调和函数,用整数表示。
因为基频是给定的,
插入,
示例问题7:谐波与驻波
一些学生正在试着测定井的深度。他们在休息的时候扔下一块石头,计时落下井底。他们找时间独处实验不确定度为.由于他们需要更精确地知道深度,他们在井的顶部制造了一种纯声音音调,当音调的频率为时,他们会注意到共振.那天的声速是.这口井有多深?
我们首先找出学生第一次实验所允许的深度范围:
找出在实验误差范围内的最大时间:
最短时间:
利用运动学方程求出最大和最小深度:
为最大值,且
现在我们必须利用声音信息来得到一个更精确的答案。阱的一端是开放的,另一端是封闭的,因此谐振波长由:
因为基本共振是波长的四分之一。找到利用波动方程:
我们不知道学生们听到的是哪一种谐波或泛音,所以我们尝试整数,直到我们找到两者之间的共振长度而且.为:
太小了。试试其他整数:
这些都能产生共鸣,但唯一一个在学生的运动学误差范围内对应的所以,井必须如此深。
例8:谐波与驻波
驻波发生在一段长度的弦内.三次谐波的波长是多少?
回想一下,每增加一个谐波将使频率增加一倍,在那里是谐波数。相反,波长会减少1 / 2.因为我们在三次谐波上,字符串的长度为时,驻波波长为:
问题9:谐波与驻波
弦满足一个重要的方程,即波动方程。弦上一点随时间波动方程的解可以给出为:
,在那里是谐波,是字符串的长度。
确定基频的周期。
回想一下正弦函数的形式时,周期为:
对于这个问题,基频是什么时候,表示其频率为:
例子问题10:谐波与驻波
波1的振幅为.
波2的振幅为.
当这些波相互干扰时,它们的最大振幅和最小振幅是多少?
而且
而且
而且
而且
而且
而且
正确答案是而且.
这是因为在两个波的极大值处,它们会以的形式建设性地相加在正轴上。
当它们相互干扰时,它们会以。的形式相减在正轴上。
因此答案是而且.