An’s Physics Lecture 시뮬레이터

WAVES & VIBRATIONS

파동의 중첩

두 파동이 만나면, 변위가 더해진다.

시작 대기
t0.00 s
파동의 속력(v = √(T/μ))
4.00m/s
파장(λ = v/f)
4.00m
위상차Δφ = φ₂ − φ₁
0°
합성파의 진폭
0.0cm보강 간섭
관측점의 변위
0.0cm
관찰 도구
m
y₁0.0 cm
y₂0.0 cm
y = y₁ + y₂0.0 cm
변위 / 최근 6 s

모델 · 조작법

무엇을 보고 있는가

길이 L=12\,\mathrm{m}인 균일한 줄 위를 두 사인파가 같은 진동수 f로 진행한다. 각 파동의 진행 방향은 오른쪽(+x)이나 왼쪽(-x)으로 고를 수 있고, 이를 s_i=\pm1로 나타낸다. 두 파동은 이미 줄 전체에 퍼져 있고, 끝에서 반사되지 않는다고 가정한다. 줄의 각 점의 변위는 두 파동의 변위를 더한 값이다(선형 중첩, 작은 진폭).

y_i=A_i\sin\left(\omega t-s_ikx+\varphi_i\right)\ (i=1,2),\qquad y=y_1+y_2

파동의 속력은 줄 파동과 같이 장력 T와 선밀도 \mu로 정해지고(v=\sqrt{\frac{T}{\mu}}), 파장은 \lambda=\frac{v}{f}, 파수는 k=\frac{2\pi}{\lambda}, 각진동수는 \omega=2\pi f이다. 해석식으로 계산하므로 시간 간격에 따른 수치 오차가 없다.

화면 읽기

나눠 보기는 파동 1, 파동 2, 합성파를 위에서부터 차례로 그린다. 세 그래프는 세로 축척(1 cm당 화면 길이)이 같아서 높이를 눈으로 더해 비교할 수 있다. 합성파 칸은 \pm 20\,\mathrm{cm}까지 그릴 수 있도록 두 배 높다. 겹쳐 보기는 세 곡선을 한 그래프에 겹친다. 두 파동은 서로 독립적이고 동등하므로 같은 굵기의 실선(파동 1 청색, 파동 2 주황색)으로 그리고, 합성파는 굵은 진한 실선으로 그린다. 색에만 기대지 않도록 각 곡선의 오른쪽 끝에 기호를 붙인다.

가로 거리(m)와 세로 변위(cm)의 화면 축척은 다르다. 나눠 보기의 각 그래프 왼쪽에는 이름, 기호, 진행 방향 화살표를 두고, 세로 단위는 각 그래프 위쪽 눈금에 cm로 적는다. 두 파동이 같은 방향으로 진행할 때 위상차가 0^\circ와 30^\circ 이내로 가까우면 보강 간섭, 180^\circ와 30^\circ 이내로 가까우면 상쇄 간섭, 그 사이는 부분 간섭으로 표시한다. 반대 방향이면 합성파는 정상파가 되어 위치마다 진폭이 다르므로, 합성파 그래프에 진폭의 범위 \pm A(x)를 점선으로 그리고 계측 칸에는 관측점에서의 진폭을 보인다. 이 경계는 표시용이며, 합성파의 진폭은 항상 식으로 계산한다.

조작과 시간

파동 1, 파동 2의 진폭 A와 위상 \varphi를 슬라이더나 값 입력칸으로 바꾼다. 진행 방향의 →, ← 버튼으로 각 파동의 방향을 바꾼다. ‘위상차 바로 맞추기’는 파동 1의 위상을 기준으로 파동 2의 위상을 \Delta\varphi만큼 앞서게 놓는다. 시간은 처음에 멈춰 있으며 재생을 누르면 두 파동과 합성파가 함께 진행한다. 처음으로는 t=0으로 돌아가고, 전체 초기화는 모든 값을 기본값으로 되돌린다.

관찰과 측정

관측점은 줄을 따라 이동하는 물체가 아니라 선택한 위치의 한 점이다. 그 점에서 y_1, y_2, y를 함께 읽고, 아래 그래프에 최근 6초의 변위를 그린다. 표시된 y는 0.1\,\mathrm{cm}로 반올림한 두 값을 더한 것이라 합이 정확히 맞고, 실제 값과는 최대 0.1\,\mathrm{cm} 다를 수 있다. 값을 바꾸면 기록을 새로 시작한다. 스톱워치는 배속과 일시정지를 따르는 시뮬레이션 시간을 잰다.

키보드

Space 재생 / 일시정지 · → 정지 중 한 단계 · Shift+←→ 관측점 이동(화면 선택 시)
R 처음으로 · F 집중 모드 · Esc 창 / 집중 모드 닫기

공부하기

이 시뮬레이션으로 확인할 수 있는 내용을 주제별로 정리했다. 각 주제의 해 보기를 따라 하면 화면에서 직접 확인할 수 있다.

1. 중첩 원리

두 파동이 같은 매질의 같은 곳을 지날 때, 그 점의 변위는 각 파동이 혼자 있을 때의 변위를 더한 값이다. 이것을 중첩 원리라 한다. 겹친 뒤에도 각 파동은 서로에게 영향을 주지 않고 원래 모양대로 진행한다(파동의 독립성).

y=y_1+y_2

해 보기 관측점을 아무 곳에나 두고 한 단계씩 진행하며 y_1, y_2, y 값을 읽는다. 언제나 y=y_1+y_2이다. 나눠 보기에서 같은 세로선 위의 두 높이를 더하면 합성파의 높이가 된다. 부호가 다르면 빼는 셈이 된다.

2. 위상과 위상차

위상은 파동이 한 주기 중 어느 단계에 있는지를 나타내는 각이다. 이 시뮬레이션에서 두 파동은 아래 식을 따르고, \varphi_1, \varphi_2는 t=0, x=0에서의 위상이다. 두 파동이 같은 방향으로 진행하면 위상차 \Delta\varphi=\varphi_2-\varphi_1은 시간이 지나도, 위치가 달라져도 변하지 않는다(반대 방향이면 8번 주제).

y_i=A_i\sin\left(\omega t-kx+\varphi_i\right),\qquad \Delta\varphi=\varphi_2-\varphi_1

\varphi를 \Delta\varphi만큼 늘리면 파형이 +x 방향으로 \frac{\Delta\varphi}{360^\circ}\lambda만큼 옮겨진 것과 같다. 위상차 0^\circ는 마루와 마루가, 180^\circ는 마루와 골이 같은 위치에 있다는 뜻이다.

해 보기 진동수 1\,\mathrm{Hz}(\lambda=4\,\mathrm{m})에서 \varphi_2를 0^\circ, 90^\circ, 180^\circ, 270^\circ로 바꾸면 파동 2가 격자 한 칸(1\,\mathrm{m}=\frac{\lambda}{4})씩 오른쪽으로 옮겨진다.

3. 보강 간섭과 상쇄 간섭

같은 진동수의 두 파동을 더한 합성파의 진폭 A는 두 진폭과 위상차로 정해진다.

A=\sqrt{A_1^2+A_2^2+2A_1A_2\cos\Delta\varphi}

\Delta\varphi=0^\circ이면 A=A_1+A_2로 가장 크다(보강 간섭). \Delta\varphi=180^\circ이면 A=\lvert A_1-A_2\rvert로 가장 작고(상쇄 간섭), 두 진폭이 같으면 0이 되어 줄이 움직이지 않는다(완전 상쇄). 그 사이에서는 A가 두 값 사이에 있다.

해 보기 ‘위상차 바로 맞추기’로 0^\circ와 180^\circ를 번갈아 고르며 합성파의 진폭 칸을 읽는다. A_1=5\,\mathrm{cm}, A_2=3\,\mathrm{cm}로 두면 8\,\mathrm{cm}와 2\,\mathrm{cm}, 90^\circ에서는 \sqrt{5^2+3^2}\approx5.8\,\mathrm{cm}이다.

4. 합성파도 같은 진동수·파장의 사인파이다

진동수와 파장이 같은 두 사인파를 더하면, 진폭과 위상만 다를 뿐 진동수·파장·속력이 같은 사인파가 된다. 합성파의 위상 \varphi는 아래 식으로 정해진다.

y=A\sin\left(\omega t-kx+\varphi\right),\qquad \tan\varphi=\frac{A_1\sin\varphi_1+A_2\sin\varphi_2}{A_1\cos\varphi_1+A_2\cos\varphi_2}

해 보기 겹쳐 보기에서 재생한다. 세 곡선이 같은 속력으로 함께 움직이고, 합성파의 이웃한 마루 사이 거리도 \lambda이다. 위상차가 0^\circ와 180^\circ 사이이면 합성파의 마루는 두 파동의 마루 사이에 놓인다.

5. 위상차와 거리의 차

같은 파동을 \Delta x만큼 옮겨 놓은 것이 다른 한 파동이라면, 두 파동의 위상차는 옮긴 거리가 파장의 몇 배인지로 정해진다. 한 파장만큼 옮기면 위상차가 360^\circ, 즉 다시 같은 위상이 된다.

\Delta\varphi=\frac{\Delta x}{\lambda}\times 360^\circ

그래서 \Delta x가 \lambda의 정수배이면 보강, 반파장의 홀수배이면 상쇄 간섭이 일어난다. 두 점파원에서 나온 파동이 만나는 곳에서 간섭 무늬가 생기는 이유도 이것이다(두 점파원의 간섭 시뮬레이션).

해 보기 \lambda=4\,\mathrm{m}에서 \varphi_2=180^\circ로 두면 파동 2는 파동 1을 2\,\mathrm{m}=\frac{\lambda}{2} 옮긴 모양이고, 합성파가 가장 작아진다.

6. 한 점에서 본 진동

관측점 한 곳에서 보면 y_1과 y_2는 같은 주기 \frac{1}{f}로 진동하는 단진동이고, 그 합 y도 같은 주기의 단진동이다. 위상차가 있으면 두 진동의 마루가 다른 시각에 온다.

해 보기 재생한 뒤 관측점 그래프에서 세 곡선의 주기가 같은지 확인한다. 스톱워치로 합성 진동이 10번 진동하는 시간을 재면 \frac{10}{f}이다. 관측점을 옮겨도 y의 진폭은 같다.

7. 매질은 속력과 파장을 바꾸지만 간섭은 바꾸지 않는다

두 파동은 같은 줄 위를 지나므로 속력 v=\sqrt{\frac{T}{\mu}}가 같다. 장력이나 선밀도를 바꾸면 속력과 파장 \lambda=\frac{v}{f}가 함께 바뀌지만, 합성파의 진폭은 두 진폭과 위상차만으로 정해지므로 그대로이다. 간섭을 정하는 것은 거리 자체가 아니라 파장에 대한 거리의 비, 즉 위상차이다.

속력과 파장v=\sqrt{\frac{T}{\mu}},\qquad \lambda=\frac{v}{f}
진폭은 위상차만으로 정해진다A=\sqrt{A_1^2+A_2^2+2A_1A_2\cos\Delta\varphi}

해 보기 장력을 1.6\,\mathrm{N}에서 6.4\,\mathrm{N}으로 바꾸면 속력과 파장이 2배가 되지만, 합성파의 진폭과 간섭 종류는 변하지 않는다.

8. 반대 방향으로 진행하는 두 파동: 정상파

파동 1이 오른쪽, 파동 2가 왼쪽으로 진행하면 두 파동의 위상차가 위치마다 달라진다. 그래서 합성파는 옆으로 진행하지 않고, 위치마다 정해진 진폭으로 제자리에서 진동하는 정상파가 된다.

위치마다 다른 진폭A(x)=\sqrt{A_1^2+A_2^2+2A_1A_2\cos\left(2kx+\Delta\varphi\right)}
진폭이 같을 때 (A_1=A_2=A_0)y=2A_0\cos\left(kx+\frac{\Delta\varphi}{2}\right)\sin\left(\omega t+\frac{\varphi_1+\varphi_2}{2}\right)

진폭이 같으면 \cos\left(kx+\frac{\Delta\varphi}{2}\right)=0인 곳은 전혀 움직이지 않는 마디, 진폭이 2A_0인 곳은 배이다. 이웃한 마디 사이 거리는 \frac{\lambda}{2}이다. 위상차를 바꾸면 무늬 전체가 옆으로 옮겨진다. 진폭이 다르면 마디에서도 \lvert A_1-A_2\rvert만큼 진동이 남는다.

해 보기 파동 2의 진행 방향을 ←로 바꾸고 재생한다. 합성파 그래프의 점선 \pm A(x) 안에서 줄이 제자리 진동하는 것을 보고, 관측점을 마디와 배로 옮겨 진폭 칸을 비교한다. \lambda=4\,\mathrm{m}이면 마디 간격은 2\,\mathrm{m}이다. 줄 파동 시뮬레이션에서 끝의 반사로 생기는 정상파와 같은 원리이다.