大学物理机械波课件

大学物理机械波机械波概述机械波是由介质中质点振动而产生的机械波传递的是能量，而不是物质本波，需要介质才能传播身机械波的传播方向与质点振动方向可以相同，也可以不同机械波的特性横波纵波波的叠加介质的振动方向与波的传播方向垂直介质的振动方向与波的传播方向平行多个波相遇时，它们的振动相互叠加，形成新的波形波传播的描述方法波函数描述波在空间和时间中的分布情况，用于反映波动的性质波速波在介质中传播的速度，由介质的性质决定波长波在一个周期内传播的距离，反映波的周期性频率波每秒钟振动的次数，反映波的快慢程度波的简谐运动振幅1波的振动幅度周期2波的振动一次所用的时间频率3波每秒钟振动的次数相位4波的振动状态波的速度波速公式波速的影响因素波速v=λf，其中λ是波长，f是频率波速取决于介质的性质，如弹性模量和密度波的振幅和强度振幅波的振动幅度强度波的能量密度波的频率和波长123频率波长关系单位时间内波的振动次数波在一个周期内传播的距离波速等于频率乘以波长波的原理性质叠加原理干涉当多个波在同一介质中传播时，当两个或多个波相遇时，它们会它们的振动会叠加在一起，形成相互影响，形成干涉现象干涉合振动合振动的位移等于各个现象是波的叠加原理的体现波的位移的矢量和衍射当波遇到障碍物或孔隙时，会发生衍射现象衍射现象表明波具有绕过障碍物或孔隙传播的能力波的干涉当两个或多个波相遇时，它们的振幅会叠加，形成新的波形这种现象称为波的干涉干涉现象是波的一种重要的性质，它可以用来解释许多自然现象，例如肥皂泡上的彩虹、双缝干涉实验等波的叠加原理独立传播矢量叠加多个波在同一介质中传播时，叠加后的波形为各波的位移矢相互叠加但不影响彼此的传播量之和能量守恒叠加后的波的能量等于各波能量的总和干涉的应用杨氏双缝实验薄膜干涉迈克尔逊干涉仪验证光波的波动性应用于薄膜测量、光学镀膜等用于测量长度、折射率等波的衍射当波遇到障碍物或孔隙时，会发生衍射现象波会绕过障碍物或孔隙传播，进入阴影区域衍射现象是波动性的重要特征之一，它表明波能够绕过障碍物传播衍射现象在日常生活中随处可见，例如，我们能够听到从墙角传来的声音，就是因为声音波绕过墙角传播的结果此外，光波也能够发生衍射，例如，当我们用激光笔照射到一张纸片上，会看到光线绕过纸片边缘传播，形成衍射图样单缝衍射衍射现象1光波通过狭缝后会发生衍射，形成明暗相间的条纹中央亮条纹2中央亮条纹最宽，两侧的亮条纹逐渐变窄惠更斯原理3衍射现象可以用惠更斯原理解释，狭缝上的每个点都可以看作一个新的波源多缝衍涉光波穿过多个狭缝1当多束光波同时穿过多个狭缝时，会发生相互干涉现象干涉条纹2干涉条纹的亮度和位置取决于狭缝之间的距离和光波的波长应用3多缝衍涉现象在光学仪器中有着广泛的应用，例如光栅光谱仪布拉格衍射条件衍射条件解释2d sinθ=nλ其中d为晶体结构的晶面间距，θ为入射角，λ为波长，n为整数，表示衍射级数波的偏振线性偏振光圆偏振光椭圆偏振光光波的振动方向始终在一个平面内光波的振动方向在垂直于传播方向的平面光波的振动方向在垂直于传播方向的平面上以一定频率旋转上以一定频率旋转，并且旋转轨迹为椭圆偏振的实现方法偏振片1使用透光方向相同的晶体或人造材料制成反射2光线从一种介质射向另一种介质时，反射光会部分偏振散射3光线被小粒子散射，散射光会部分偏振波的反射当波遇到障碍物或介质界面时，会改变传播方向，并返回到原来的介质中，这种现象称为波的反射入射角与反射角的关系入射角反射角入射光线与法线的夹角反射光线与法线的夹角入射角等于反射角反射角等于入射角折射光线弯曲1当光线从一种介质进入另一种介质时，它会改变传播方向，这种现象称为折射折射角2入射角和折射角的大小取决于两种介质的折射率斯涅耳定律3斯涅耳定律描述了入射角、折射角和两种介质的折射率之间的关系斯涅耳定律12n折射角入射角折射率光线从一种介质进入另一种介质时，传播入射角是指入射光线与法线的夹角折射率是衡量光线在不同介质中传播速度方向会发生改变，形成折射现象折射角变化的指标光线在真空中的速度最快，是指折射光线与法线的夹角折射率为1全反射光线入射角大于临界角光线完全反射应用广泛当光线从光密介质进入光疏介质时，全反射现象意味着所有入射光线都以全反射现象在光学仪器、光纤通信、如果入射角大于临界角，则光线将不相同的角度反射回来，没有光线穿过医学成像等领域有着广泛的应用会发生折射，而是全部反射回光密介界面进入光疏介质质中临界角9045入射角临界角当光线从光密介质进入光疏介质时，折射角等于90度的入射角被称为临界入射角等于90度角光学纤维及应用传输原理应用领域光纤利用光的全反射原理，将光束限制在光纤内部传输，从而实光纤广泛应用于通信、医疗、工业等领域，例如高速互联网、内现长距离、高带宽的信息传递窥镜检查、精密传感器等多普勒效应波源和观察者之间有相对运动，则观例如，救护车驶近时，我们听到的警察者接收到的波的频率与波源发出的笛声频率较高；驶远时，频率较低频率不同多普勒效应在声波、光波等多种波中都存在，是物理学中重要的现象音波的多普勒效应频率变化声源运动12当声源和观察者之间存在相对如果声源朝观察者运动，则观运动时，观察者听到的声波频察者听到的频率会升高；如果率会发生变化声源远离观察者运动，则观察者听到的频率会降低观察者运动3如果观察者朝声源运动，则观察者听到的频率会升高；如果观察者远离声源运动，则观察者听到的频率会降低超声波及其应用医疗诊断清洗超声波在医疗诊断中应用广泛，如产利用超声波的高频振动，可以清洗精前检查、心血管疾病诊断等密仪器、珠宝等工业加工超声波可以用于切割、焊接、打孔等加工工艺声波在生物医学中的应用诊断成像治疗超声波用于创建身体内部器官和超声波可用于治疗各种疾病，例组织的图像，帮助医生诊断疾病如癌症、肾结石和关节炎手术超声波可用于引导手术，并帮助医生在手术过程中看到身体内部总结与展望本课程介绍了机械波的基础知识，包括机械波的产生、传播、特性等希望通过学习本课程，大家能够对机械波有更深入的了解，并能够将其应用到实际生活中。