第九章 機(jī)械波
一、機(jī)械波的產(chǎn)生和傳播(識(shí)記)
波的定義:波是指一個(gè)過(guò)程,也就是振動(dòng)的傳播過(guò)程。
機(jī)械波:是機(jī)械振動(dòng)在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播過(guò)程。
電磁波是電磁場(chǎng)的振動(dòng)在真空或介質(zhì)內(nèi)的傳播過(guò)程。
這兩類波性質(zhì)是不同的。
橫波:質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波動(dòng)的傳播方向相垂直的波。
縱波:質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波動(dòng)的傳播方向相同的波。
水面波既不是純粹的橫波也不是純粹的縱波。
表示波的幾個(gè)參量:(明確其相互關(guān)系)
波速:是單位時(shí)間內(nèi)振動(dòng)狀態(tài)傳播的距離,用v表示。它與振動(dòng)速度是不同的。
波長(zhǎng):同一波線上一個(gè)完整波形的長(zhǎng)度,用λ表示。
波的頻率:與質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的頻率是同一個(gè)參量,用ν表示,頻率的倒數(shù)就是波的周期,與質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)周期是同一個(gè)量,用T表示,則T=1/ν。
波速與頻率及波長(zhǎng)之間的關(guān)系:
v=λ/T=νλ
即:波速等于頻率和波長(zhǎng)的乘積,這是波速、波長(zhǎng)、周期或頻率的重要基本關(guān)系。
二、簡(jiǎn)諧波的運(yùn)動(dòng)方程(領(lǐng)會(huì))
簡(jiǎn)諧振動(dòng)在介質(zhì)中傳播而形成的波叫簡(jiǎn)諧波。要領(lǐng)會(huì)簡(jiǎn)諧行波的幾個(gè)表達(dá)式的含義:
y=Acosω(t±Δt')=Acosω(t± x/v)
根據(jù)ω=2πν=2π/T 及v=νλ可得下列形式的方程(正負(fù)號(hào)表示波動(dòng)沿x軸負(fù)向或正向運(yùn)動(dòng)時(shí)所用的符號(hào))
y=Acos2π(νt±x/λ)
=Acos2π(t/T±x/λ)
=Acos2π(vt±x)/λ
1.當(dāng)表達(dá)式中t為常量時(shí),則位移y表示在給定刻波線上各質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)位移,這時(shí)的波形曲線相當(dāng)于在t時(shí)刻的一張快照。這時(shí)波線上任意兩點(diǎn)間的相位差就是:
Δφ=2π(x2x1)/λ (其中的負(fù)號(hào)表示沿x方向上后一點(diǎn)的相位落后與前一點(diǎn)的相位)
2.當(dāng)x給定時(shí),y將只是t的函數(shù),表示離原點(diǎn)距離為x的質(zhì)點(diǎn)在不同時(shí)刻的振動(dòng)位移。實(shí)際上是表示給定點(diǎn)的振動(dòng)情況。作出的曲線則是該質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)曲線。
3.當(dāng)x,t都變化時(shí),則運(yùn)動(dòng)方程就表示了波形的傳播。它表示在t1時(shí)刻,x處的振動(dòng)位移到t1+Δt時(shí)刻已傳播到x+vΔt)處,前一時(shí)刻前一個(gè)振動(dòng)位移和后一時(shí)刻后一個(gè)振動(dòng)位移是相同的,可見波在這段時(shí)間Δt里移動(dòng)(傳播)了一段距離Δx.
這里要能夠根據(jù)Δφ=2π(x2x1)/λ求解行波中兩點(diǎn)間距離與相位差的關(guān)系。
三、波的能量、能流(識(shí)記)
波是振動(dòng)狀態(tài)的傳播過(guò)程也是能量的傳播過(guò)程。在波的傳播過(guò)程中,任一質(zhì)元在任何時(shí)刻或任何振動(dòng)狀態(tài)下,動(dòng)能和勢(shì)能是相等而且是同步變化的,即動(dòng)能達(dá)最大值時(shí)勢(shì)能也大最大值。其總機(jī)械能是隨時(shí)間變化的,在零與最大值之間作周期性變化。
這種能量關(guān)系與簡(jiǎn)諧振動(dòng)的能量關(guān)系是完全不同的,無(wú)阻尼簡(jiǎn)諧振動(dòng)的情況是動(dòng)能量大時(shí)勢(shì)能量小,反之亦然,總機(jī)械能是守恒的。
波的能量通常用波在一個(gè)時(shí)間周期內(nèi)的平均能量密度來(lái)表示,機(jī)械波的平均能量能量密度與振幅的平方、頻率的平方及介質(zhì)密度成正比,與時(shí)間、空間無(wú)關(guān)。
能流:是指單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)介質(zhì)中某面積S的能量。這是一個(gè)標(biāo)量。
能流密度(波的強(qiáng)度):是指通過(guò)垂直于波動(dòng)傳播方向的單位面積的平均能流。用I表示,它是一個(gè)矢量。也就是說(shuō),當(dāng)波線的方向不同時(shí),它的強(qiáng)度也不同,比如波的折射,折射前后的平均能流是相等的,但是入射波的強(qiáng)度和折射波的強(qiáng)度是不同的,因?yàn)樗鼈兊牟嚸娲笮∨c波的方向都發(fā)生了改變。
四、惠更斯原理、波的反射與折射(領(lǐng)會(huì))
惠更斯原理的內(nèi)容是:介質(zhì)中波到達(dá)的各點(diǎn)都可以看作是發(fā)射子波的波源,在以后任一時(shí)刻,這些子波的包跡就是新的波陣面。(惠更斯原理解釋反射與折射)
五、波的疊加原理、波的干涉、駐波(識(shí)記)
當(dāng)不同波源
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