第8章 波动.ppt

* 波动 本章内容 Contents chapter 18 机械波的产生与描述 generation and description of mechanical wave 波的能量 声波 sound wave 惠更斯原理 Huygens’ principle 多普勒效应 Doppler effect electromagnetic wave 电磁波 the energy of wave generation and description of mechanical wave 振动的传播过程称为波动。 机械振动在媒质中的传播过程称为机械波。 产生机械波的必要条件： 波源 作机械振动的物体； 媒质 能够传播机械振动的弹性媒质。 波源带动弹性媒质中与其相邻的质点发生振动，振动相继传播到后面各相邻质点，其振动时间和相位依次落后。 波动现象是媒质中各质点运动状态的集体表现，各质点仍在其各自平衡位置附近作振动。 横波与纵波 横波：质点的振动方向与波的传播方向垂直 纵波：质点的振动方向与波的传播方向平行 软绳 软弹簧 波的传播方向 质点振动方向 波的传播方向 质点振动方向 在机械波中，横波只能在固体中出现；纵波可在气体、液体和固体中出现。空气中的声波是纵波。液体表面的波动情况较复杂，不是单纯的纵波或横波。 几何描述 波 前 波 面 波 线 波面 振动相位相同的点连成的面。 波前 最前面的波面。 平面波 （波面为平面的波） 球面波 （波面为球面的波） 波线（波射线） 波的传播方向。在各向同性媒质中，波线恒与波面垂直。 波的物理量 波传播方向 波速 周期 波长 振动状态完全相同的相邻两质点之间的距离。 波形移过一个波长所需的时间。 频率 周期的倒数。 波速 单位时间内振动状态（振动相位）的传播速度， 又称相速。机械波速取决于弹性媒质的物理性质。 或 平面简谐波 由简谐振动的传播所形成的波动。 简谐波 对于机械波，若波源及弹性媒质中各质点都持续地作简谐振动所形成的连续波，则为简谐机械波。 简谐波又称余弦波或正弦波，是规律最简单、最基本的波。各种复杂的波都可以看作是许多不同频率的简谐波的叠加。 简谐波的一个重要模型是平面简谐波。 平面简谐波的波面是平面，有确定的波长和传播方向，波列足够长，各质点振动的振幅恒定。 波动方程 一列平面简谐波（假定是横波） 观测坐标原点任设 （不必设在波源处） 波沿 X 轴正向传播 （正向行波） 设 位于原点 处质点的振动方程为 已知振动状态以速度 沿 轴正向传播 。对应某一时刻 ， 振动状态与原点在 时刻的振动状态相同。 因此，在设定坐标系中，波线上任一点、任意时刻的振动规律为 点的 这就是沿 X 轴正向传播的平面简谐波动方程。它是时间和空间的双重周期函数。 续上 沿 X 轴正向传播的平面简谐波动方程 波动方程常用周期 波长 或频率 的形式表达 由 得 消去波速 和 分别具有单位时间和单位长度的含义， 分别与时间变量 和空间变量 组成对应关系 。 波动方程意义 若给定 ，波动方程即为距原点 处的质点振动方程 距原点 处质点振动的初相 若给定 ，波动方程表示所给定的 时刻波线上各振动质点相对各自平衡点的位置分布，即该时刻的波形图。 续上 若 和 都是变量，即 是 和 的函数， 这正是波动方程所表示的波线上所有的质点的振动位置分布随时间而变化的情况。可看成是一种动态的波形图。 正向波 同一时刻，沿 X 轴正向，波线上各质点的振动相位依次落后。 波沿 X 轴正向传播 反向波 同一时刻，沿 X 轴正向，波线上各质点的振动相位依次超前。 波沿 X 轴反向传播 例一 某正向余弦波 时的波形图如下 则此时 点的运动方向 ，振动相位 。 正向波，沿 轴正向微移原波形图判断出 点此时向下运动。并判断出原点处质点从Y = A向平衡点运动，即初相 。 由图可知 代入得 即 例二 一平面简谐波以波速 沿 X 轴正向传播。 位于 处的 P 点的振动方程为 得 波动方程 设 B 点距原点为 P 点振动传到 B 点需时 即 B 点 时刻的振动状态与 P 点 时刻的振动状态相同 例三 波动方程 y = 0.05 cos p ( 5 x – 100 t