大学物理机械波课件

大学物理机械波机械波是物理学中重要的概念，它解释了声音、光线等现象本课件将带您深入了解机械波的特性、类型和传播规律机械波的定义介质的振动能量的传递机械波需要介质才能传播，机械波的传播过程中，介质介质是指波传播所依托的物本身并不发生迁移，而是传质波的传播过程是介质振递能量能量以波的形式从动状态的传递波源向外传播波的种类根据介质振动方向与波传播方向的关系，机械波可以分为横波和纵波机械波的种类水波声波水波是最常见的机械波，可以通过湖面、声波是通过介质传播的纵波，可以被人耳海洋等观察到听到弦波地震波弦波是通过弹性绳或弦传播的横波，可以地震波是地震发生时在地球内部传播的波用于乐器演奏，分为纵波和横波横波和纵波的区别横波纵波波的振动方向垂直于波的传播方向波的振动方向平行于波的传播方向波的传播方式介质传播1机械波需要介质才能传播介质振动2介质的振动传递能量波形传播3振动方向与传播方向一致波的频率、波长和传播速度频率波长传播速度每秒钟振动次数两个相邻波峰或波波在介质中传播的谷之间的距离速度波的频率、波长和传播速度之间存在着密切的关系波的传播速度等于频率乘以波长波的衍射现象波的衍射现象是波在传播过程中遇到障碍物或孔隙时，能够绕过障碍物或孔隙继续传播的现象衍射现象是波的一种重要特性，它表明波具有绕过障碍物传播的能力衍射现象的明显程度与波长和障碍物或孔隙的尺寸有关当波长小于障碍物或孔隙的尺寸时，衍射现象不明显；当波长大于或接近障碍物或孔隙的尺寸时，衍射现象明显波的干涉现象当两列或多列波在空间相遇时，会相互叠加如果两列波的波峰或波谷相遇，则振幅会加强，称为波的干涉如果两列波的波峰和波谷相遇，则振幅会减弱，称为波的干涉干涉现象是波动性的重要特征之一，在光学、声学、无线电波等领域都有广泛应用波的回折现象水波回折光波回折声波回折水波遇到障碍物后，会绕过障碍物继光波遇到小孔后，也会发生回折，这声波遇到障碍物后，也会绕过障碍物续传播，这称为波的回折现象使得光线能够绕过小孔，照亮后面的继续传播，这使得我们能听到拐角处区域的说话声普朗克振动子模型普朗克振动子模型能量量子化普朗克假设物质中的原子或分子不是连续振动，而是以一能量量子化意味着物质吸收或发射的能量只能是能量量子定的频率进行振动，并且振动的能量只能取分立的值，称的整数倍，能量量子的大小等于普朗克常数乘以振动频率为能量量子化能量量子化的概念是普朗克在研究黑体辐能量量子化的概念对物理学的发展具有深远的影响，为射问题时提出的量子力学的建立奠定了基础声波的产生和传播声源振动1物体振动产生声波，振动物体称为声源介质传播2声波需要介质传播，如空气、水、固体波的传递3声波通过介质的振动传递能量，形成声波的传播声波的频率和波长声波的频率是指每秒钟声波振动的次数，单位是赫兹（）波长是指相邻两个波峰或波谷之间的距离，单位是米（）Hz m声波的频率和波长之间存在着密切的关系，它们可以用公式表示，其中是声波的传播速度，是声波的频率，是λλv=f vf声波的波长声波的传播速度在不同的介质中是不同的声波的反射和折射反射折射12声波在遇到障碍物时会发声波从一种介质传播到另生反射，反射角等于入射一种介质时，传播方向会角发生改变，这就是折射声波的反射和折射3声波反射和折射现象在现实生活中非常常见，例如回声、声学仪器等多普勒效应频率变化运动方向应用场景当声源和观察者之间存在相对运如果声源向观察者运动，观察者多普勒效应在许多领域都有应用动时，观察者接收到的声波频率接收到的声波频率会升高，反之，例如超声波检测、雷达系统和会发生变化则会降低天文观测声波在不同介质中的传播声速与介质密度和弹性声波的传播速度取决于介质的性质声波在固体中传播速介质的密度和弹性对声速也有影响密度越大，声速越慢度最快，其次是液体，气体中速度最慢；弹性越大，声速越快例如，声波在钢铁中传播速度约为米秒，在水中约因此，声波在密度较高的介质中传播速度较慢，而在弹性5000/为米秒，而在空气中约为米秒较高的介质中传播速度较快1500/340/超声波的应用医疗诊断清洗超声波可以用于诊断疾病，例如胎儿超声超声波清洗器利用高频振动清除物品表面检查的污垢焊接测距和探测超声波焊接可用于塑料和金属材料的精密超声波测距仪利用声波回声测量距离，例连接如声呐机械振动的基本概念周期性运动振幅和周期

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2.12物体在力的作用下，绕平振幅是指物体偏离平衡位衡位置做往复运动，运动置的最大距离，周期是指过程不断重复物体完成一次完整振动所需的时间频率振动能量

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4.34频率是指物体每秒完成的振动过程中，物体具有动振动次数，与周期成反比能和势能，总能量守恒简谐振动的特点周期性运动正弦曲线运动能量守恒简谐振动是一个周期性的运动，它以简谐振动的位移随时间变化呈正弦曲理想的简谐振动系统没有能量损失，固定的时间间隔重复线，这意味着振动的速度和加速度也因此振动能量在系统内守恒是周期性的阻尼振动摩擦力空气阻力阻尼振动是振动系统中能量损失导致振幅例如，在空气中运动的物体，空气阻力会逐渐减小的振动消耗物体能量，导致振幅逐渐减小阻尼系数实际应用阻尼系数反映能量损失的快慢，阻尼系数在现实生活中，大多数振动系统都存在阻越大，能量损失越快，振幅减小越快尼，例如摆钟的摆动会逐渐减小受迫振动定义特征例子受迫振动是指系统在周期振动频率与外力频率相同摇动秋千，摆动钟摆，都性外力的作用下发生的振，振幅取决于外力频率与是受迫振动的例子动外力频率决定振动频系统固有频率之差率，而非系统固有频率能量损失与质量比

10.5质量质量比质量越大，振动能量损失越快质量比越大，振动能量损失越慢质量比是指振动系统的质量与阻尼系数的比值质量比越大，振动系统越容易保持振动能量共振现象强化振动能量传递

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2.12当外力频率与物体固有频外力不断将能量传递给物率一致时，物体振动幅度体，导致振动幅度持续增最大大共振条件危险性

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4.34外力频率必须与物体固有共振可能导致结构破坏，频率相等或接近例如桥梁坍塌共振的应用乐器桥梁设计医疗设备共振现象在许多乐器中起着重要工程师在设计桥梁时会考虑共振超声波技术利用共振现象来诊断作用，例如小提琴、吉他、钢琴现象，以确保桥梁不会因风力或和治疗疾病，例如超声波扫描和等其他外部力量而发生共振超声波治疗质量弹簧振动系统-质量弹簧振动系统是最简单的简谐振动模型它由一个质量为的物体和一个弹性系数为的弹簧组成当物体偏离平衡位置时，弹簧会产-m k生一个恢复力，其大小与位移成正比，方向与位移相反这种力使得物体发生振动，振动周期由质量和弹性系数决定平衡位置1弹簧处于自然长度状态时，物体所处的位置振动周期2物体完成一次完整振动所需要的时间振幅3物体振动时偏离平衡位置的最大距离频率4物体每秒钟完成的振动次数物理摆的振动定义物理摆是指固定在一个固定轴上，可以绕该轴自由旋转的刚体振动周期物理摆的振动周期取决于摆长、质量分布和重力加速度振动频率物理摆的振动频率是其振动周期的倒数，反映了摆动快慢简谐运动对于小角度振动，物理摆的运动近似于简谐运动能量守恒定律与机械波能量守恒波的能量传递12机械波传播过程中能量守恒波的能量由振动系统的动能量以波的形式传递，能量传递的方向与波传播的方向能和势能组成一致能量密度波的能量损失34波的能量密度是指单位体积内所含的能量，与波的振幅机械波在传播过程中会由于介质的阻尼或其他因素导致平方成正比能量损失，但能量守恒定律仍然适用波的叠加原理与干涉叠加原理干涉当两个或多个波在同一介质中传播时当两列波在空间相遇时，它们会相互，它们的振动会相互叠加叠加的结叠加，形成干涉现象果是每个波的振动幅度之和如果两列波的波峰相遇，则振幅会增叠加原理是波的一个基本性质它可大；如果两列波的波峰和波谷相遇，以解释许多波的现象，例如干涉和衍则振幅会减小干涉现象可以通过光射的干涉实验观察到波的衍射原理障碍物尺寸波的传播当波遇到障碍物或孔隙时，衍射现象会导致波绕过障碍如果障碍物或孔隙的尺寸与物或孔隙传播，改变波的传波长相当或更小，就会发生播方向，形成新的波阵面衍射现象惠更斯原理波的干涉惠更斯原理解释了衍射现象衍射现象可以导致波的干涉的发生，认为波的传播可以，因为衍射波会与原波发生用一系列新的波源来描述，叠加，形成干涉图样这些波源位于波前的每一个点上波动方程的建立假设条件假设媒质均匀，弹性，连续，且振幅较小，则波在该介质中传播的速度不变微分方程利用牛顿第二定律和胡克定律建立偏微分方程，描述波的传播规律，即波动方程求解方程对波动方程进行求解，得到描述波的位移、速度、加速度等物理量的表达式总结波的传播波的叠加机械波通过介质传播，将能量传递，但介波的叠加原理是理解干涉、衍射等现象的质本身不随波传播关键振动现象多普勒效应机械振动是构成机械波的基础，可以分为多普勒效应解释了声波频率的变化与波源简谐振动、阻尼振动等和观察者之间相对运动的关系。