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* 相位分布图 相位分布 振幅项 可正可负,时间项 对波线上所有质点有相同的值,表明驻波上相邻波节间质点振动相位相同,波节两边的质点的振动有相位差p 。 * 对于波沿分界面垂直入射的情形,把密度? 与波速u的乘积?u 较大的介质称为波密介质,?u 较小的介质称为波疏介质。 当波从波疏介质传播到波密介质,分界面反射点是波节,表明入射波在反射点反射时有相位? 的突变相当于在波程上突变 。这一现象称为半波损失。 波疏 波密 波疏 波密 半波损失 * 四、弦线上的驻波 波在一定边界内传播时就会形成各种驻波。 如两端固定的弦, L 或 —系统的固有频率 F —弦中的张力 ?l —弦的线密度 波速 形成驻波必须满足以下条件: * 基频 n =1 二次 谐频 n =2 三次 谐频 n =3 每种可能的稳定振动方式称作系统的一个简正模式。 两端固定的弦: * 例题16-11 两人各执长为 l 的绳的一端, 以相同的角频率和振幅在绳上激起振动,右端的人的振动比左端的人的振动相位超前?,试以绳的中点为坐标原点描写合成驻波。由于绳很长,不考虑反射。绳上的波速设为u。 解 左端的振动 右端的振动 右行波表达式: 左行波表达式: 当 时,y1=Acos? t,即 * 当 时,y2=Acos(? t+f ),即 右行波、左行波表达式: * 合成波 当? =0,x=0 处为波腹;当? =? 时,x =0 处为波节。 * 合成波 当? =0,x=0 处为波腹;当? =? 时,x =0 处为波节。 * 例题16-4 一横波沿一弦线传播。设已知t =0时的波形曲线如下图中的虚线所示。弦上张力为3.6N,线密度为25g/m,求(1)振幅,(2)波长,(3)波速,(4)波的周期,(5)弦上任一质点的最大速率,(6)图中a、b两点的相位差,(7)3T/4时的波形曲线。 t =0 * 解 由波形曲线图可看出: (3)由波速公式计算出 (2) ?=40cm; (1) A=0.5cm; (4)波的周期 * (5)质点的最大速率 (6)a、b两点相隔半个波长,b点处质点比a点处质点的相位落后? 。 (7)3T/4时的波形如下图中实线所示,波峰M1和M2已分别右移 而到达 和 处。 t=3T/4 * (5)质点的最大速率 (6)a、b两点相隔半个波长,b点处质点比a点处质点的相位落后? 。 (7)3T/4时的波形如下图中实线所示,波峰M1和M2已分别右移 而到达 和 处。 t=3T/4 * §16-3 波的能量 波的强度 弹性波传播到介质中的某处,该处将具有动能和势能。在波的传播过程中,能量从波源向外传播。 1. 波的能量 考虑棒中的体积?V,其质量为?m(?m=??V )。当波动传播到该体积元时,将具有动能Wk和弹性势能Wp。 平面简谐波 可以证明 * 体积元的总机械能W 对单个谐振子 在波的传播过程中,任一体积元都在不断地接受和放出能量,其值是时间的函数。与振动情形相比,波动传播能量,振动系统并不传播能量。 波的能量密度 :介质中单位体积的波动能量。 通常取能量密度在一个周期内的平均值 * 2. 波动能量的推导 位于x 处的体积元ab 的动能为 * 体积元ab 的振速 体积元ab 的胁变 据杨氏模量定义和胡克定律,该积元所受弹性力为 体积元弹性势能 * 由?V=S?x , ,结合波动表达式 最后得: 若考虑平面余弦弹性横波,只要把上述计算中的 和 f 分别理解为体积元的切变和切力,用切变模量G 代替杨氏模量Y,可得到同样的结果。 * 3. 波的强度 能流 在介质中垂直于波速方向取一面积S ,在单位时间内通过S 的能量。 平均能流: 平均能流密度或波的强度 通过与波传播方向垂直的 单位面积的平均能流,用I 来表示,即 * 介质的特性阻抗 。 I 的单位:瓦特/米2 (W.m-2) 平面余弦行波振幅不变的意义: 若 ,有 。 * 对于球面波, , ,介质不吸收能量 时,通过两个球面的总能流相等 球面波表达式: 式中a 为波在离原点单位距离处振幅的数值。 * 例题16-5 用聚焦超声波的方式,可以在液体中产生强度达120kW/cm2的大振幅超声波。设波源作简谐振动,频率为500kHz,液体的密度为1g/cm3,声速为1500m/s,求这时液体质点振动的振幅。 解 因 ,所以
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