颱風巨浪為何瞬間翻倍？ 波的反射「自由端・固定端」之謎【手機學物理 #10】
科學教練桑子研來啦！每天都是實驗日。
颱風天時，你有沒有聽過這樣的新聞？有人跑去海邊看巨浪，大喊「太壯觀了吧！」結果下一秒卻被突如其來的大浪捲走。其實，這背後和波有一個非常重要的特性有關——有些時候，波浪的高度會比你眼睛看到的還要高得多。這次就讓我們透過「波的反射」現象，一起來看看其中隱藏的危險與奧秘吧！
先複習一下：波的疊加
在#09中，我們介紹過波的疊加原理。當兩個波重疊時，它們的位移會彼此相加或相減。
例子：兩個波峰重疊時
今天要來認識波的第三個重要特性——反射。
石頭撞牆和波撞牆，有什麼不一樣？
如果把一顆石頭往牆壁丟出去，石頭會撞上牆面，發出「砰」的一聲後掉到地上。有時候甚至會直接碎裂。
那如果撞上牆壁的不是石頭，而是「波」呢？
例如在浴缸裡拍打水面製造波浪，讓波朝著浴缸壁前進。
朝水面拍一下，看看波浪會怎麼跑
神奇的事情發生了！
波碰到牆壁之後，竟然會像沒事一樣，以幾乎相同的速度反彈回來。
這種現象就叫做波的反射。
紅線表示波面，藍線表示波前進的方向
波不像石頭那樣撞到牆就毀掉或消失，而是會反彈回來（雖然振幅會慢慢變小，最後消散）。
你可能會說：「橡皮球也會反彈啊！」
沒錯，但波有一個非常特別的地方——
波的反射分成兩種，其中有一種反射後竟然會『變身』再回來！
這可是橡皮球辦不到的事。
去的時候是一個樣子，回來卻完全變了？
接下來就來看看這兩種反射吧！
① 保持原樣反彈的「自由端反射」
撞到反射面之前的波稱為入射波，反彈回來的波稱為反射波。
像浴缸中的例子一樣，波峰還是波峰、波谷還是波谷，相位沒有改變就反彈回來的情況，稱為自由端反射。
一起看看影片吧！
看出來了嗎？
波的形狀幾乎原封不動地返回了。
要產生自由端反射，關鍵就在於：
讓反射端可以自由上下移動。
雖然不太明顯，但末端是用繩圈固定的。
這樣繩子的末端就能自由上下擺動，因此能觀察到自由端反射。
再來看看模擬動畫。
自由端反射還有一個超重要的特色：
反射面附近的振幅會變得特別大！
如果原本波的振幅是A公尺，那麼反射面上的最大振幅可以達到2A公尺，也就是整整兩倍！
這時候再回想文章一開始提到的海浪事故。
颱風天千萬不要靠近堤防或海岸邊，其中一個重要原因就在這裡。
當從外海傳來的波浪撞上岸壁或消波塊時，入射波和反射波會重疊，形成比原本高得多的巨浪。
看起來風平浪靜，下一秒卻突然衝來超高浪頭。
許多海難事故就是這樣發生的。
物理知識，有時候真的能救命。
② 變成相反模樣回來的「固定端反射」
那如果把末端牢牢固定住，完全不能動呢？
在自由端反射中，末端可以自由移動。
但這次像下面這樣，直接固定起來。
直接把繩子固定在支架上
來看看實驗影片。
結果非常驚人！
送出波峰，回來的卻變成波谷！
反過來也是一樣，波谷回來時會變成波峰。
再透過模擬動畫比較自由端反射與固定端反射。
※ 使用了東京書籍數位教科書附帶的教材。
像這樣，相位翻轉180°後再反射回來的現象，就稱為固定端反射。
整個上下顛倒後再回來！
另外，固定端反射還有一個特徵：
反射面上的振幅會在某一瞬間變成0。
原因是反射點被固定住，媒質無法移動，因此位移必須保持為零。
這和自由端反射形成鮮明對比。
兩種反射，在生活中有什麼用途？
自由端反射與固定端反射其實不只存在於繩波之中，在聲音世界裡也到處可見。
例如管樂器中的「開管」與「閉管」，就分別對應自由端和固定端。這些反射方式會影響共鳴條件，進而決定音高與音色。
換句話說，理解波的反射，也是在理解音樂為什麼會發出不同的聲音。
下一篇文章，我們將更深入探討這兩種反射背後真正的物理意義，敬請期待！
待續。
#01 波動最重要的一件事
#02 學波動最容易卡關的兩張圖
#03-1 五個重要物理量
#03-2 練習題 波動的物理量與圖表
#04 什麼是縱波？
#05 用橫波表示縱波？
#06-1 從橫波變回縱波！
#06-2 練習題 誰才是靜止的媒質！？
#07 波的小孩——素元波
#08 用素元波理解繞射
#09 波的疊加原理
#10 波的反射：自由端與固定端
#11 如何理解兩種反射？
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