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1、机械波 第6章 机械波6.1 机械波的产生、传播和描述 6.2 平面简谐波的波函数 6.3 波的能量 6.4 惠更斯原理 波的衍射、反射和折射 6.5 波的干涉 6.6 驻波 6.7 多普勒效应 *6.8 声波 超声波 次声波内容提要Date机械波振动: 于平衡位置，无随波逐流.波动:机械波：机械振动在弹性介质中的传播过程. 电磁波：交变电磁场在空间的传播过程. 物质波：微观粒子的运动, 其本身具有的波粒二象性. 波动的种类: 振动的传播过程. Date机械波波动的共同特征 ：具有一定的传播速度，且都伴有能量的传播。能产 生反射、折射、干涉和衍射 等现象.水波水波声波声波天线发射出电磁波天线发
2、射出电磁波Date机械波 6.1 机械波的产生、传播和描述6.1.1 机械波产生的形成条件波源：作机械振动的物体.机械波: 机械振动以一定速度在弹性介质中由近及远 地传播出去，就形成机械波.弹性介质：承担传播振动的物质.机械振动只能在弹性介质中传播.说明6.1.2 横波与纵波横波：纵波：质元的振动方向与波的传播方向垂直.质元的振动方向与波的传播方向平行.Date机械波振动曲线ty结论(1) 波动中各质点并不随波前进； yx波动曲线(2) 各个质点的相位依次落后,波动是相位的传播；(3) 波动曲线与振动曲线不同.Date机械波 6.1.3 波的几何描述在波传播过程中，任一时刻媒质中振动相位 相同
3、的点构成的曲面.沿波的传播方向作的有方向的线. 波面:波线:波前: 波传播过程中, 某一时刻最前面的波面.在各向同性均匀媒质中，波线波面.注意Date机械波 6.1.4 波速 波长 周期（频率）同一波线上相邻两个相位差为 2 的质点之间的 距离；即波源作一次完全振动，波前进的距离.波前进一个波长距离所需的时间.周期表征了波的时间周期性.单位时间内，波前进距离中完整波的数目.频率与周期的关系为:振动状态在媒质中的传播速度.波速与波长、周期和频率的关系为:波长反映了波的空间周期性.Date机械波(1) 波的周期和频率与媒质的性质无关; 一般情况下, 与波源振动的周期和频率相同.a. 拉紧的绳子或弦
4、线中横波的波速为： b. 均匀细棒中，纵波的波速为：(2) 波速实质上是相位传播的速度, 故称为相速度; 其大小主要决定于媒质的性质, 与波的频率无关.说明 张力 线密度 固体棒的杨氏模量 固体棒的密度例如：Date机械波d. 液体和气体只能传播纵波，其波速由下式给出:c. 固体媒质中传播的横波速率由下式给出： 固体的切变弹性模量 固体密度 流体的容变弹性模量 流体的密度e. 稀薄大气中的纵波波速为: 气体摩尔热容比 气体摩尔质量 气体摩尔常数Date机械波 6.2 平面简谐波的波函数波面为平面的简谐波.平面简谐波:简谐波: 介质传播的是谐振动，且波所到之处，介质 中各质点作同频率的谐运动.6
5、.2.1 平面简谐波波函数的建立一、波函数:设波源的振动表达式为(x0)：简谐振动平面简谐波的波函数Date机械波从时间看, P 点 t 时刻的位移是O点时刻的位移.P点的振动表达式：即 t=x/u时, P点的振动状态与O点t=0时的状态相同. 平面简谐波的波函数Date机械波将代入上式波函数的 其它形式如果波沿x 轴的负方向传播，则P点的相位要比 O点的相位超前. 则波函数为:Date机械波 讨论波函数的物理意义(1) 当 x = x 0 (常数) 时， 表示x0处质元的振动表达式.(2) 当 t = t 0 (常数) 时，表示各质元的位移分布函数.对应函数曲线波形图.Date机械波yxOx
6、1x2u(3) 波形图的分析：a. 可表示振幅A，A波长；b. 波形图中 x1 和 x2 两质点的相位差:相位差：波程差:x2x1, 1s，试根 据图中绘出的条件求出波动表达式，并求A点的振动 表达式。(已知A=0.01m)解：由图可知:波速：y(cm)x(cm)123456 A原点振动表达式 ：Date机械波波动表达式 ：A点振动表达式：Date机械波 例: 一平面简谐波在介质中以速度u = 20 m/s, 沿x轴 的负向传播。已知A点的振动方程为y = 3cos 4t .y解：A点为坐标原点B点为原点, 波源坐标为:AxyBu求: (1) 以A点为坐标原点求波函数；(2) 以距A点5m处的
7、B为坐标原点求波函数。Date机械波 *6.2.2 波动方程由知(2) 不仅适用于机械波，也广泛地适用于电磁波、热传导、化学中的扩散等过程；(1) 上式是一切平面波所满足的微分方程（正、反传播）；(3) 若物理量是在三维空间中以波的形式传播，波动方程为右式.说明Date机械波6.3.1 波动能量的传播6.3 波的能量波动 过程质元由静止开始振动 质元也发生形变波动过程是能 量的传播过程以平面简谐纵波在直棒中的传播为例：设波沿x 方向传播波动表达式：1. 介质元的能量 1) 介质元的振动动能：Date机械波2) 介质元的弹性势能：Date机械波 3) 介质元的总能量：结论 (1) 介质元dV 的
8、总能量：周期性变化(2) 介质元的动能、势能变化是同周期的，且相等.(3) 机械能不守恒，因为不是孤立体系，有能量传播.(4) 最大位移处:平衡位置处:Date机械波 2. 波的能量密度单位体积介质中的波动能量.1) 能量密度：2) 平均能量密度：单位: Jm-3结论机械波的能量与振幅的平方、频率的平方以及 介质的密度成正比.一个周期内的平均值.Date机械波 6.3.2 能流和能流密度单位时间内垂直通过介质 中某一面积的波的能量Suu能流(P)：平均能流：能流密度(波的强度)：单位时间内流过垂直于波传播方向的单位面积 的波的平均能量一个周期内的平均值.单位: Wm-2Date机械波 6.3.
9、3 波能量的吸收吸收媒质,实验表明：O 为介质吸收系数，与介质的性质、温度、及波的频率有关IxIxI0I0ODate机械波 6.4 惠更斯原理 波的衍射、反射和折射6.4.1 惠更斯原理介质中波动传播到的各点，都可以看成是发射 子波的波源，而在其后的任一时刻，这些子波的包 络面就是新的波前子波波源波前子波Date机械波平 面 波球 面 波Date机械波 6.4.2 波的衍射 1. 波的衍射现象：波在传播的过程中遇到障碍物或 小孔后，能够绕过障碍物的边缘继续传播的现象.Date机械波 6.4.3 波的反射和折射由图可得到，折射率:Date机械波波的反射波的折射Date机械波 6.5 波的干涉 6
10、.5.1 波的叠加原理 1. 波传播的独立性原理几列波在空间某点相遇后，每一列波都能独立 地保持自己原有的特性(频率，波长，振幅，振动方 向)传播，就像在各自的路程中，并没有遇到其他波 一样. 2. 波的叠加原理 在波相遇区域内，任一质点的振动，为各波单独存 在时所引起的振动的合振动.Date机械波6.5.2 波的干涉条件和公式1. 干涉现象：两列波在空间相遇(叠加)时，介质中有些点的振动始 终加强，有些点的振动始终 减弱或完全消失的现象.3. 相干波:2. 相干条件: 频率相同、振动方向相同、相位差恒定.4. 相干波源:满足相干条件的波.产生相干波的波源.Date机械波 5. 干涉规律根据叠
11、加原理可知，P 点处振动方程为:S1S2合振动的振幅:PP 点处波的强度:S1S2PDate机械波相位差当干涉相长当干涉相消 空间点振动的情况分析:Date机械波 讨论干涉相长(1) 若(2) 若干涉相消干涉相长干涉相消从能量上看，当两相干波发生干涉时，在两波交叠的区域 ，合成波在空间各处的强度并不等于两个分波强度之和， 而是发生重新分布。这种新的强度分布是时间上稳定的、 空间上强弱相间具有周期性的一种分布。令波程差Date机械波 例: AB为两个相干波源, 振幅均为5cm, 频率为100Hz，波速为10m/s. A点为波峰时, B点恰为波谷, 试确定两列波在P点干涉的结果.15mABP20m
12、解： 依题意设的奇数倍， 干涉为零，P点静止.Date机械波 例: 两相干波源S1和S2的间距为d = 30m, 均在x 轴上, S1 位于原点O. 设两波源分别发出两列平面波沿 x 轴传播, 强度保持不变. x1 =9m 和 x2=12m处的两点是相邻的两 个因干涉而静止的点. OS1S2x1x2x解： 设S1和S2的振动相位分别为:依题意x1点的振动相位差：- (1)求: 两波长及两波源间最小相位差.Date机械波x2点的振动相位差：- (2)(2)-(1):由(1)式当k = -2，-3时位相差最小，故Date机械波6.6 驻 波 6.6.1 驻波的产生 两列振幅相同的相干波相向传播时叠
13、加形成的 波称为驻波. 驻波是波的一种干涉现象. 驻波的波形特点Date机械波 6.6.2 驻波方程 设 x = 0 处两波初相均为0, 即:讨论即驻波是各质点振幅按余弦分布的特殊谐振动；(1)Date机械波波腹(A= Amax)：波节(A= Amin)：相邻两波腹之间的距离：相邻两波节之间的距离：Date机械波(2) 所有波节点将媒质划分为长 的许多段;每段中各质点的振动振幅不同，但相位皆相同； 而相邻段间各质点的振动相位相反; 相位中没有x 坐标，没有相位的传播.x波节波腹(3) 没有波形的推进，也没有能量的传播，参与波动的各个质点处于稳定的振动状态.Date机械波 例: 在弦线上有一简谐
14、波，其表达式为：为了在此弦线上形成驻波，并且在x = 0处为一波节， 此弦上还应有一简谐波，求其表达式.解： 依题意设反向波为:因为x = 0处为波节，Date机械波 6.6.3 驻波的能量ABC波 节波 腹位移最大时平衡位置时驻波的能量在相邻的波腹和波节间往复变化, 在相 邻的波节间发生动能和势能间的转换, 动能主要集中在 波腹, 势能主要集中在波节, 但无能量的定向传播.Date机械波驻波与行波的区别Date机械波1. 入射波与反射波产生驻波振源固定端反射软 绳自由端反射当 形 成 驻 波 时总是出现波腹 总是出现波节6.6.4 半波损失Date机械波 2.半波损失 波密介质：密度与波速u
15、的乘积 u较大的介质.波疏介质：密度与波速u的乘积 u较小的介质. 入射波驻波反射波波密介质波疏介质由波疏介质入射, 在波密介质界面上反射, 在界面 处, 反射波的振动相位总是与入射波的振动相位相反， 即差了; 形成驻波时, 总是出现波节. 相位差了 ，相当于波程差了称为“半波损失”.Date机械波 6.6.5 振动的简正模式驻波条件:本征频率:1. 两端固定的弦线形成驻波2. 一端固定一端自由的弦线形成驻波Date机械波 6.7 多普勒效应波源或观察者或它们二者相对于介质运动时，观察者接收到的频率和波源的真实频率并不相等， 这一现象称为多普勒效应.观察者RS 波源u观察者相对于介质的运动速度
16、， 接近波源为正，反之为负.uR:波的传播速度， 接近观察者为正，反之为负.u:波源相对于介质的运动速度， 接近观察者为正，反之为负.uS:Date机械波波源静止, 观察者静止:观察者接收到的频率 观察者在单位时间内接收到完整波形的数目.观察者RS 波源u波源的频率 波源在单位时间内发出的完全波的数量. 波的频率 单位时间内通过介质中某点的完全波的数量.R:S:W:Date机械波 6.7.1 波源静止，观察者以速度uR相对于介质运动1. 观察者接近波源观察者单位时间内接收的完全 波的数量为：2. 观察者离开波源 Date机械波 6.7.2 观察者静止，波源以速度 uS相对介质运动 1. 波源接近观察者在每个周期中，波源移近观察者yy,
