声速测定实验中,驻波共振干涉法测出的两个相邻波节之间的距离为( )A. 一个波长B. 三分之一波长C. 半个波长D. 四分之一波长
A. 一个波长
B. 三分之一波长
C. 半个波长
D. 四分之一波长
题目解答
答案
解析
本题考查声速测定实验中驻波共振干涉法的相关知识,解题的关键在于理解驻波的形成原理以及波节的概念。
在驻波共振干涉法中,当两列振幅相同、频率相同、振动方向相同且传播方向相反的波相遇时,会形成驻波。驻波上存在一些始终静止不动的点,这些点被称为波节。
设两列波的波动方程分别为:
$y_1 = A\cos(\omega t - kx)$
$y_2 = A\cos(\omega t + kx)$
其中$\omega$是角频率,$k$是波数,$x$是位置坐标。
根据波的叠加原理,两列波叠加后的合成波为:
$y = y_1 + y_2 = A\cos(\omega t - kx) + A\cos(\omega t + kx)$
利用三角函数的和差化积公式$\cos\alpha + \cos\beta = 2\cos\frac{\alpha + \beta}{2}\cos\frac{\alpha - \beta}{2}$,可得:
$y = 2A\cos kx\cos\omega t$
波节处的振幅始终为零,即$\vert 2A\cos kx\vert = 0$,那么$\cos kx = 0$。
由$\cos kx = 0$可得$kx = (n + \frac{1}{2})\pi$,$n = 0, \pm1, \pm2, \cdots$。
因为$k=\frac{2\pi}{\lambda}$($\lambda$为波长),所以$\frac{2\pi}{\lambda}x = (n + \frac{1}{2})\pi$,解得$x = (n + \frac{1}{2})\frac{\lambda}{2}$。
相邻两个波节对应的$n$值相差$1$,设两个相邻波节分别为$n$和$n + 1$,它们的位置分别为$x_n = (n + \frac{1}{2})\frac{\lambda}{2}$和$x_{n + 1} = ((n + 1) + \frac{1}{2})\frac{\lambda}{2}=(n+\frac{3}{2})\frac{\lambda}{2}$。
则两个相邻波节之间的距离$\Delta x$为:
$\Delta x = x_{n + 1} - x_n=(n+\frac{3}{2})\frac{\lambda}{2}-(n + \frac{1}{2})\frac{\lambda}{2}$
$=\frac{n\lambda}{2}+\frac{3\lambda}{4}-\frac{n\lambda}{2}-\frac{\lambda}{4}=\frac{\lambda}{2}$
所以,驻波共振干涉法测出的两个相邻波节之间的距离为半个波长。