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大学物理教案chap13_3
* 同学们好! §13.5 波的干涉 一、 波的叠加原理 条件: 波源:线性振动 波:线性波 介质中各质点均线性振动 当几列波在传播过程中相遇时,相遇区域每一点的振动等于各列波单独传播时在该点引起的振动的矢量和 实质: 振动的叠加 S1 S2 P r1 r2 录象1 粒子相遇: 碰撞,各自运动状态改变。 波相遇: 相遇区域合成,然后保持各自特征继续传播。 比较: 几列波相遇之后, 仍然保持它们各自原有的特征(频率、波长、振幅、振动方向等)不变,并按照原来的方向继续前进,好象没有遇到过其他波一样. 二、 波的干涉 —— 波叠加中最简单、重要的特例 (1) 相干条件 振动方向相同 频率相同 相位差恒定 (波源初相差稳定,介质稳定) (2) 干涉现象 设相干波源 O1 O2 P r1 r2 录象2 在P点引起的振动 式中 P点的合振动 O1 O2 P r1 r2 令 得 P点合振动强度: 干涉项 由 恒定 取决于两波传至相遇点的波程差 对空间确定点 ? 有确定值,I 有确定值 对空间不同点 ? 彼此不同,I 彼此不等 相同的点,振动强度相同, 其集合为双曲面 能量在空间稳定的非均匀分布 — 干涉现象 合振动最强(干涉相长) 合振动最弱(干涉相消) 的位置 讨论: O1 O2 P r1 r2 频率相同、振动方向平行、相位相同或相位差恒定的两列波相遇时,使某些地方振动始终加强,而使另一些地方振动始终减弱的现象,称为波的干涉现象. 相长 相间排列 相消 (3)干涉相长和相消的条件 相长 相消 (2) 相长处: 相消处: 特例: (1) -4? -2? 0 2? 4? I I1≠I2时的I~ 曲线 练习 1、是非题 (1) 两列不满足相干条件的波不能叠加。 (3) 两振幅相等的相干波在空间某点相遇时,某时刻该点合振动位移既不是两波振幅之和,又不是零,则该点既不是振动最强点,又不是振动最弱点。 两列波相遇区域中P点,某时刻位移值恰好等于两波振幅之和。这两列波为相干波。 (2) (4) 在波的干涉现象中,波动相长各点或波动相消各点的集合的形状为双曲面族。 ? 解: 对 S1外侧的P点 干涉相消,合成波 即 S1 外侧不动 2. 图中S1、S2为相干波源,相距?/4, S1比S2相位超前 若 且不随时间变化,求 S1、S2连线上, S1、S2外侧合成波的强度。 S1 S2 u u P P? ??? S1 S2 u u P P? ??? 干涉相长、合成波 两相干波,振幅相同,沿同一直线向相反方向传播 即S2外侧各点振动最强 思考: S1、S2之间如何? 2) 对S2外侧P′点 三、驻波 半波损失 1、驻波的形成 条件 : 相干波, 振幅相等, 在同一直线上反向传播。 u u 录象3 适当选择计时起点和原点,使原点处 左行波: 右行波: a、c、e、g... 始终不振动 A=0,称波节 o、b、d、f ... 振动最强 称波腹 其余点 合成波: 振幅随 x 变化 2. 特征 (1) 波线上各点振幅不等,不是后一质点重复前 一 质点的振动。 (2) 振动最强 波腹 振动相消 A=0 位置: 波节 由 得波节位置: 求波腹和波节的位置 得波腹位置: 解: 例:上图中合成波: (3)相邻波节之间各点同相 同一波节两侧的点反相 稳定的分段振动 (4)能流密度 录象4 (5) 驻波系统的固有频率: 两端固定的弦线形成驻波时,波长 和弦线长 由此频率决定的各种振动方式称为弦线振动的简正模式. 应满足 外形象波: 具有空间、时间周期性;波形、能量不向前传播、无滞后效应 “驻”波 两端固定的弦振动的简正模式 一端固定一端自由 的弦振动的简正模式 3、半波损失(half-wave loss) 自由端反射 波密 波疏界面反射 特征阻抗: 波在两种不同介质界面上的反射 全波反射 半波反射 反射波与入射波 在反射点同相 波腹 反射波与入射波 在反射点反相 固定端反射 波疏 波密界面反射 波节 半波损失 4、驻波应用举例: 弦乐发声:一维驻波; 鼓面:二维驻波; 微波振荡器, 激光器谐振腔 量子力学:一维无限深势阱波函数为驻波…... 思考 用能量守恒说明半波损失的原因 参看: 杨建华、苏蕙蕙、《大学物理重大难点辅导》 成都科大出版社,1993 , P.247 。 *
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