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Wave speed depends on some of the properties of the medium through which the wave is travelling.

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Academic year: 2021

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Section 9.2 ­ Waves at Media Boundaries

Wave speed depends on some of the properties of the medium through  which the wave is travelling.  For example, the speed of sound in air depends on air temperature, and  the speed of a wave along a rope depends on the density and tension of  the rope. What happens if the medium changes?  For example, what happens to a wave when it moves down a rope and  encounters a different medium, such as air? No medium is infinitely large, so all media have boundaries. The location  where two media meet is called a  media boundary .   Media boundaries can take many forms.  For example, they can be a  change in the characteristics of a rope or the edge of a drumhead. A media  boundary might also be the surface of the walls of a room where air and  the wall material meet. To explore the behaviour of waves at media boundaries, we first examine  what happens in two simple cases: free­end reflections and fixed­end  reflections.

PHet exploration

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2

Free End Reflections

Consider two media, say medium 1 and medium 2, and a  wave travelling through medium 1 into medium 2. If medium  1 is denser than medium 2, then the wave will move faster in  medium 1 than in medium 2.  In this case, the wave moving  toward the boundary will be reflected in the same orientation  as the incoming wave and with the same amplitude as the  incoming wave. Notice that the reflected wave from a free­end reflection is  upright, and the characteristics of  the pulse in the reflected waveform are identical to the  characteristics of the original  pulse. The wave does not continue to the right, beyond  the media boundary. This is  because the wave speed in the second medium is slower than  the wave speed in the first  medium. (More on two different mediums in a moment.)
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Fixed End Reflections

Consider a pulse in a string moving toward a rigid, denser medium such as a wall (Figure 5 ). When the pulse reaches the fixed end, it is reflected. As you see in  Figure 5, the reflected pulse has the same shape as the incoming pulse, but its  orientation is  inverted. We may explain this inversion as follows. When the pulse  reaches the fixed end of the string, it exerts an upward force on the wall. In  response, the wall exerts a downward force on the string in accordance with  Newton’s third law of motion. Therefore, the incoming upright pulse is inverted  upon reflection.
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4 Short Video ­ Free and Fixed Fixed End only

Rope Demo ­ free and fixed

wave website

PHet Simulation

Waves on a String

(fixed, free, interference)
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5 Acts like a Free End Acts like a Fixed End Changing Mediums Fast medium (strong particle connection strength) to a Slow medium (low particle connection strength) ­  behaves like a Free end ­ wave reflects back on the same side    Slow medium to a Fast medium ­ behaves like a  Fixed End ­ wave reflects back on the opposite side

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6

Standing Waves

standing wave an interference pattern produced  when incoming and reflected waves interfere with  each other; the effect is a wave pattern that  appears to be stationary  node in a standing wave, the location where the  particles of the medium are at rest antinode in a standing wave, the location where  the particles of the medium are moving with  greatest speed; the amplitude will be twice the  amplitude of the original wave The waves in a standing wave pattern interfere according to the principle of  superposition. The waves are moving continuously. When the original wave is upright, so is the reflected wave from the previous crest. When the reflection has a trough, so  does the original wave. At the antinodes, the amplitudes of the troughs and the  crests are thus double that of the original wave. At the nodes, the amplitudes are  the same but one is a crest and one is a trough, so they cancel each other out.
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7

Standing Waves between Two Fixed Ends

The frequency of the wave that produces the simplest standing wave is 

called the 

fundamental frequency 

(

f

0

) or the 

first harmonic

. All standing 

waves after this require frequencies that are whole number multiples of 

the fundamental frequency. These additional standing wave frequencies 

are called the 

n

th harmonic of the fundamental frequency, where 

for the fundamental frequency.

Harmonics 

consist of the fundamental frequency of a musical sound as well 

as the frequencies that are whole­number multiples of the fundamental 

frequency. 

When a string, such as a violin string,vibrates with more than one 

frequency, the resulting sounds are called 

overtones

. An overtone is very 

similar to the harmonic, except that the first overtone is equal to the

second harmonic.

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9

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11 By adding the fixed end on the right,  the standing wave has been changed,  one quarter of a  wave length has  been trimmed.

2m

2m

wavelength = 2m/1.5   = 1.33m wavelength = 2m / (1.25)   = 1.66m

Since the wave speed would be the same for both instruments (air 

speed), then the frequency must change to accommodate the 

change in wavelength.

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17

Tying it all together ­ a Guitar String (fixed­fixed)

Case 1 ­ fixed length of medium (guitar string)

constant

n = 1 f = 100Hz n = 2 f = 200Hz n = 3 f =  n = 4 f =

Case 2 ­ changing length of medium (guitar string)

constant

L = 1m f = 100Hz L = 0.5m f = 200Hz L = 0.25m f = 400Hz hold n = 1 constant

Video Test

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18 329 262 196 165 131

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21

(22)

22 329 658 987 1316 1645

262

524

786

1048

1310

1572

196

392

588

784

980

1176

1372

1568

165

330

495

660

825

990

1155

1320

1485

1650

131

262

393

524

655

786

917

1048

1179

1310

1441

1572

References

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