16.4
Traçando o Gráfico da Função de Onda
Considere a equação de onda para uma onda senoidal se movendo na direção positiva de x. A equação de onda é uma função tanto da posição quanto do temp…
Considere uma onda senoidal viajando na direção x.
Como sua equação de onda é a função do deslocamento e do tempo, o movimento de uma partícula no meio pode ser representado graficamente por gráficos de deslocamento-posição e deslocamento-tempo.
Em um tempo fixo, o deslocamento da partícula varia em função da posição.
Isso representa o deslocamento da partícula de sua posição de equilíbrio. O comprimento de onda pode então ser deduzido deste gráfico.
Considerando o caso de uma onda transversal em uma corda, o gráfico representa a forma real da corda em um determinado instante de tempo.
Quando uma coordenada específica é escolhida, representar graficamente a equação de onda resulta em um gráfico de tempo de deslocamento.
Usando este gráfico, o período - o tempo necessário para a onda percorrer um comprimento de onda - é deduzido.
Na equação de onda, o argumento da função cosseno é chamado de fase da onda.
A velocidade de fase é a velocidade na qual a onda se move, mantendo a fase constante.
Tomando uma derivada em relação ao tempo, obtém-se uma expressão para a velocidade de fase.
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Q1: What does a displacement versus position graph show for a wave?
A displacement versus position graph represents a snapshot of the wave at a fixed time, showing how particle displacement varies with position. For a transverse wave on a string, this graph depicts the actual shape of the string at that instant. The wavelength can be determined by measuring the distance between two consecutive crests or troughs with the same height and slope.
Q2: How do you find the period of a wave from a displacement-time graph?
A displacement-time graph shows particle displacement as a function of time at a specific position. The period is the time required for one complete oscillation of the particle. By observing the graph, you can identify the time interval between successive identical points in the wave cycle to determine the period.
Q3: What is the phase of a wave and what does it represent?
The phase is the argument of the cosine function in the wave equation, measured in radians. It determines which part of the sinusoidal cycle is occurring at a particular point and time. For a crest, the phase equals 0, 2π, 4π, etc.; for a trough, the phase equals π, 3π, 5π, etc.
Q4: What is phase velocity and how does it relate to wave motion?
Phase velocity is the speed at which a wave moves while keeping the phase constant. It describes how fast the wave pattern propagates through the medium. The phase velocity can be derived by taking the derivative of the wave equation with respect to time, providing a mathematical expression for wave propagation speed.
Q5: How are crests and troughs identified on a wave graph?
The crest is the highest point of the wave above equilibrium, while the trough is the lowest point below equilibrium. On a displacement versus position graph, crests appear as maximum positive displacements and troughs as maximum negative displacements. The distance between consecutive crests or troughs with identical height and slope equals the wavelength.
Q6: Why are two different graphs needed to fully describe a sinusoidal wave?
A sinusoidal wave depends on both position and time. The displacement versus position graph shows the wave's spatial shape at one instant, revealing wavelength. The displacement versus time graph shows how a single particle oscillates, revealing the period. Together, these graphs provide complete information about wave behavior in space and time.
Q7: How does the wave equation relate to graphical representations of waves?
The wave equation is a mathematical function of both position and time. By fixing time, you obtain a displacement versus position graph showing spatial wave structure. By fixing position, you obtain a displacement versus time graph showing temporal oscillation. These graphical representations make the wave equation's behavior visually interpretable for analyzing wave parameters.