大学物理课件温习资料机械波的发生和流传

机械波的发生和传播绪论本节课将学习机械波的发生和传播，这是物理学中非常重要的基础知识，也是理解电磁波和量子力学的基础波动概述水波声波光波水波是一种常见的波动现象，由水面的扰声波是由物体振动产生的，通过介质传播光波是一种电磁波，不需要介质也能传播动引起波的定义传播能量周期性运动波是一种传递能量而不传递物质波的传播过程通常表现为一种周的运动形式波的传播方向是能期性的振动，例如水波的上下起量传播的方向伏和声波的压缩和膨胀物质媒介机械波需要物质作为传播媒介，例如水波需要水，声波需要空气等波的三要素振幅频率波长波的振幅是指波源偏离平衡位置的最大波的频率是指每秒钟波源振动次数波长是指相邻两个波峰或波谷之间的距距离离波的分类横波纵波电磁波123介质的振动方向与波的传播方向垂介质的振动方向与波的传播方向平不需要介质，可以在真空中传播直行机械波的特点介质的振动能量的传递波速和振动速度机械波的传播需要介质，并且波的传播是机械波在传播过程中传递的是能量，而不波速是指波形传播的速度，而振动速度是介质中质点的振动形式的传播是物质本身指介质中质点的振动速度振动的传播介质的振动1能量传递2波的形成3机械波的传播是振动能量在介质中的传递过程当一个质点发生振动时，会带动其周围的质点发生振动，进而将振动传递到更远处的质点，形成波的传播波的传播方式横波1振动方向垂直于波的传播方向纵波2振动方向平行于波的传播方向正弦波正弦波是一种常见的波形，它可以用数学公式表示正弦波的振幅、频率和相位决定了它的形状和运动正弦波的表达式位移表达式振幅yx,t=A sinωt-kx+φA表示波的振幅，即质点偏离平衡位置的最大距离角频率波数ω表示波的角频率，即质点每秒k表示波数，即每单位长度上的钟振动的弧度数波长数，k=2π/λ正弦波的性质周期性连续性对称性正弦波是一种周期性的波形，它在时间正弦波的波形是连续的，没有间断点，正弦波关于其平衡位置是对称的，这表和空间上都呈现规律的重复模式这反映了波的传播过程是连续的明波的振动是关于平衡位置对称的波长和频率的关系12波长频率相邻两个波峰或波谷之间的距离单位时间内通过某一点的波峰或波谷个数3关系波长和频率成反比波速的定义距离与时间公式表达波速定义为波在介质中传播的距离与时间之比用数学公式表示为v=s/t，其中v为波速，s为波传播的距离，t为波传播的时间波速与物质性质的关系介质的密度介质的弹性12密度较大的介质中，粒子间距弹性较好的介质中，粒子发生离较小，相互作用力较强，因形变后更容易恢复原状，波速此波速较快也更快介质的温度3温度升高，粒子运动速度加快，相互作用力减弱，波速也随之降低波的传播过程振动源初始振动源，例如敲击鼓面，产生第一个振动介质传递振动通过介质粒子之间的相互作用传递能量传播振动能量在介质中传播，并非介质本身波形传播振动产生的波形在介质中向前传播波动方程的建立基本方程1描述机械波传播规律的数学表达式偏微分方程2包含时间和空间两个变量解方程3得到波的传播过程和规律波动方程的物理意义描述波的传播规律确定波的传播速度预测波的振幅和相位能量的传播波的能量能量传递波的能量并非物质本身的能量，而是指波的传播过程中，由于介波的能量通过质点间的相互作用，从一个质点传递到另一个质点质质点运动而传递的能量，从而实现能量的传播能量密度和强度能量密度单位体积内的能量强度单位时间内通过单位面积的能量能量流与能量密度的关系定义关系能量流是指单位时间内通过某一能量流的大小等于能量密度与波面积的能量，而能量密度则是单速的乘积，即能量流=能量密度位体积内的能量*波速能量流的测量方法声强计1声强计用于测量声波的能量流密度它通常包含一个麦克风，一个放大器和一个显示器热量计2热量计用于测量波传播过程中所产生的热量，从而间接测量能量流密度光度计3光度计用于测量光的能量流密度，即光强干涉现象当两列或多列波在空间中相遇时，会发生干涉现象干涉现象是指两列或多列波在空间中相遇时，会发生相互叠加，从而产生新的波的现象干涉现象是波动性的重要特征之一干涉条件相位差为2π的整数倍相位差为π的奇数倍两列波相遇时，如果它们的相位差为2π的整数倍，则波峰与波峰两列波相遇时，如果它们的相位差为π的奇数倍，则波峰与波谷相遇，波谷与波谷相遇，振幅加强，形成干涉加强相遇，振幅减弱，形成干涉减弱驻波驻波是两种频率相同、振幅相等、传播方向相反的波叠加形成的波驻波的特点是波形不传播，而是固定在空间的某个区域内驻波中的各点振动幅度不同，形成波腹和波节驻波中波腹振幅最大，波节振幅为零相邻两个波腹或两个波节之间的距离等于半个波长驻波的特点固定波形振幅不均匀12驻波的波形固定，不随时间推驻波的振幅在某些点上达到最移而改变大值，而在其他点上为零能量不传播3驻波只是一种能量形式的局部振动，能量不会沿着波传播反射与折射反射折射当波遇到障碍物或介质界面时，部分当波从一种介质传播到另一种介质时波会改变传播方向，返回原介质中，，波的传播方向会发生改变，这种现这种现象称为反射象称为折射波的衍射当波遇到障碍物或孔隙时，会发生偏离直线传播路径的现象，这种现象称为衍射衍射现象是波的一种重要特征，它表明波具有绕过障碍物继续传播的性质衍射现象在生活中随处可见，例如，阳光穿过树叶缝隙形成的光斑，声音绕过障碍物后仍然可以被听到等等绕射现象波绕过障碍物波的衍射程度当波遇到障碍物时，它会绕过绕射现象的程度与障碍物的尺障碍物继续传播，这种现象称寸和波长有关，障碍物尺寸越为波的绕射小或波长越长，绕射现象越明显惠更斯原理波的绕射现象可以用惠更斯原理来解释，即波前上的每一点都可以看作一个新的波源，这些波源发出的子波叠加形成新的波前总结与思考机械波是物质介质中的一种重要波动现象，它在自然界和工程技术领域中有着广泛的应用。