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* 第三章 机械振动与机械波 平面简谐波及波动方程 哈尔滨工程大学理学院 姜海丽 * 波动是振动的传播过程. 振动是激发波动的波源. 机械波 电磁波 波动 机械振动在弹性介质中的传播. 交变电磁场在空间的传播. 两类波的不同之处 机械波Mechanical waves的传播需有传播振动的介质; 电磁波Electromagnetic waves的传播可不需介质. 能量传播 反射reflection 折射refraction 干涉interference 衍射diffraction 两类波的共同特征 Wave Motion 波源 介质 + 弹性作用 机械波 3.6 机械波的产生与传播 产生条件:1)波源Source of vibration ; 2)弹性介质. Medium 波是运动状态的传播,介质的质点并不随波传播. 注意 机械波:机械振动在弹性介质中的传播. 3.6.1 机械波的产生条件 横波:质点振动方向与波的传播方向相垂直的波. (仅在固体中传播 ) 3.6.2 横波与纵波 Transverse wave and longitudinal wave 特征:具有交替出现的波峰和波谷. Wave crests and troughs 纵波:质点振动方向与波的传播方向互相平行的波. (可在固体、液体和气体中传播) 特征:具有交替出现的密部和疏部. Dense and loose segments * 球 面 波 平 面 波 波前 波面 波线 3.6.3 波线 波面 波前Wave Line, Wave Surface and Wave Front 3.6.4 描述波的物理量 波长 :沿波的传播方向,两个相邻的、相位差为 的振动质点之间的距离,即一个完整波形的长度. Wavelength O y A A - 周期 :波前进一个波长的距离所需要的时间. Period 频率 :周期的倒数,即单位时间内波动所传播的完整波的数目. Frequency 波速 :波动过程中,某一振动状态(即振动相位)单位时间内所传播的距离(相速). Wave speed 注意 周期或频率只决定于波源的振动! 波速只决定于媒质的性质! 波速 与介质的性质有关, 为介质的密度. 如声音的传播速度 空气,常温 左右,混凝土 横 波 固体 纵 波 液、气体 切变模量 弹性模量 体积模量 下面要用数学表达式描述波线上每一质点在每一时刻的位移,这样的函数y=f(x,t)称为行波的波动方程。 3.7平面简谐波及波动方程Wave motion equation 3.7.1平面简谐波的波动表达式 ----- 波动方程 各质点相对平衡位置的位移Displacement of each element relative to equilibrium position 波线上各质点平衡位置Equilibrium position of each element in wave line 简谐波:在均匀的、无吸收的介质中,波源作简谐运动时,在介质中所形成的波. 平面简谐波:波面为平面的简谐波. 点O 的振动状态 点 P t 时刻点 P 的运动 t-x/u时刻点O 的运动 以速度u 沿 x 轴正向传播的平面简谐波 . 令原点O 的初相为零,其振动方程 点P 振动方程 时间推迟方法 点 P 比点 O 落后的相位 点 P 振动方程 点 O 振动方程 波函数 P * O 相位落后法 沿 轴负向 点 O 振动方程 波函数 沿 轴正向 O 如果原点的初相位不为零 波动方程的其它形式 角波数 质点的振动速度,加速度Vibration velocity and acceleration of the matter element 3.7.2 波函数的物理意义The physical meanings of the wave function: 1 当 x 固定时, 波函数表示该点的简谐运动方程,并给出该点与点 O 振动的相位差Phase difference relative to O . (波具有时间的周期性) 波线上各点的简谐运动图 (波具有空间的周期性Spatial Periodicity ) 2 当 一定时,波函数表示该时刻波线上各点相对其平衡位置的位移,即此刻的波形. 波程差Wave path difference O O
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