波动大学物理.pptx

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1、第二章 波动（Wave）2.1 机械波的形成和特征2.2 行波，简谐波2.4 波动方程*2.3 物体的弹性变形2.6 惠更斯原理2.5 波的能量2.7波的叠加，驻波2.8多普勒效应*9复波，群速度第1页/共67页 振动在空间的传播过程叫做波动常见的波有:机械波,电磁波,1 机械波的产生和传播一.机械波的产生1.产生条件:波源 媒质2.弹性波:机械振动在弹性媒质中的传播 横波 纵波3.简谐波:波源作简谐振动,在波传到的区域,媒质中的质元均作简谐振动。第二章 波动（Wave）第2页/共67页t=00481620 12 t=T/4 t=T/2 t=3T/4 t=T 第3页/共67页 结论：(1)质元

2、并未“随波逐流”,波的 传播不是媒质质元的传播；(2)“上游”的质元依次带动“下游”的质元振动；(3)某时刻某质元的振动状态将在较晚时刻于 “下游”某处出现-波是振动状态的传播；(4)同相点-质元的振动状态相同。波长相位差2相邻二.波是相位的传播 沿波的传播方向,各质元的相位依次落后。ab xxu传播方向图中b点比a点的相位落后第4页/共67页三.波形曲线(波形图)oxut 不同时刻对应有 不同的波形曲线 y 波形曲线能反映横波 纵波的位移情况四.波的特征量1.波长:两相邻同相点间的距离2.波的频率:媒质质点(元)的振动频率 即单位时间传过媒质中某点的波的个数 3.波速u:单位时间波所传过的距

3、离 波速又称相速度(相位传播速度)第5页/共67页2 行波，简谐波设 y 为传播的物理量，它沿 x 轴传播，则为沿+x 向传播的行波，u 为波速。某种物理量的扰动的传播称为行波。)(uxtftuxxx)(uttf 理由：(一)行波（travelling wave）yxxft 时刻yxxx+xt+t 时刻第6页/共67页 具有沿+x向传播的性质。同理，具有沿-x向传播的性质。Y(x,t)的函数形式称为波函数，它也就称为行波的波函数。即 是波传播时媒质质元的运动函数。第7页/共67页一、一维简谐波的表达式(波函数)讨论:沿+x方向传播的一维简谐波(u,)假设:媒质无吸收(质元振幅均为A)xdxo任

4、一点p参考点 a波速已知:参考点a的振动表达式为 ya(t)=Acos(ta)P点:A,均与a 点的相同,但相位落后 振动表达式)(2cos),(dxtAtxay一维简谐波的波的表达式选:原点为参考点,初相 a为零,则或)cos(),(kxtAtxy称作角波数(二)简谐波(波函数)2cos(),(xtAtxy第8页/共67页例1反射波在S处相位改变。如图示，已知：波长为，求：反射波函数解：全反射，A不变。全反射壁(l-x)lx y0=Acost入反S0波由0经壁反射到 x 传播了距离l+(l x)=2l x，相位落后了2(2lx)/，在壁处反射相位改变了 取+、均可“+”表示沿 x 方向传播第

5、9页/共67页 1.x 一定，y t 给出 x 点的振动方程。yTt0振动曲线 x 一定x y0波动曲线 t 一定2.t 一定，y x 给出 t 时刻空间各点位移分布。二.一维简谐波表达式的物理意义由y(x,t)cos(t-kx)从几方面讨论第10页/共67页3.如确定某一相位,即令(t-kx)=常数相速度为4.表达式也反映了波是振动状态的传播y(x+x,t+t)=y(x,t)其中 x=u t5.表达式还反映了波的时间、空间双重周期性 T 时间周期性 空间周期性第11页/共67页例2yx0 已知：一个向右传播的波在 x=0点的振动(2)yt-TTA0A-A较0点相位落后/20yA0点初相位为-

6、/2向+y方向运动t=0t 0出该波在t=0 时的波形曲线。曲线如图所示。试画解:(1)根据 Y=Acos(t+)根据 Y=Acost+-(2/)(x-d)第12页/共67页三.平面波和球面波1.波的几何描述波线波面波前(波阵面)平面波 球面波球面波平面波波线 波面2.平面简谐波的表达式沿+x 向传播 3.球面简谐波的表达式 点波源 (各向同性介质)第13页/共67页例一平面简谐波沿x轴的负方向传播,波长为,P处质点的振动规律如图所示.(1)求P处质点的振动方程;(2)求此波的波动方程;(3)若图中d=1/2,求坐标 原点处质点的振动方程.(1)P处质点的振动方程为 Yp=Acos(0.5t+

7、)PYp(m)ot(s)A-A0d1x(2)此波的波动方程为解:根据 Y=Acos(t+)x=0 d 21 Yp=Acos0.5t+(x-d)2(3)o处质点的振动方程为 Y0=Acos(0.5t+-)Y0=Acos(0.5t)根据)(2cos),(dxtAtxay第14页/共67页弹性变形：当外力不太大时，在弹性限度内的形变。l0 l FF线变1.线变 在拉应力作用下发生的应变3 物体的弹性变形根据外力的施加方式，形变有以下几种形式。(1)应变(2)应力F/S(3)应力与应变的关系(4)弹性势能(5)弹性势能密度第15页/共67页体变 pp ppV+V一块物质周围受到的压强改变时，其体积也会

8、发生改变，以V/V表示体应变。3.体变 2.面变 通常又称为切应变在剪应力作用下发生的应变F切变FS(1)应变(2)应力F/S(3)应力与应变的关系(4)弹性势能密度应力与应变的关系（K为体弹性模量）弹性势能密度第16页/共67页4 波动方程和波速一.平面波波动方程一维简谐波的表达式就是此波动方程的解为波速 具体问题(1)弹性绳上的横波T-绳的初始张力,l-绳的线密度Tul第17页/共67页0llESFE-杨氏弹性模量 -体密度Eu(2)固体棒中的纵波(3)固体中的横波G-切变模量G E,固体中 横波20000Hz)可闻声波 （2020000Hz)次声波 （20Hz)2.声压(声波传播时的压力

9、与无声波的静压力之差)（可正、可负）声压振幅：3.声强(就是声波的平均能流密度)第28页/共67页(1)正常人听声范围20 20000 Hz.I下 I 70dB，炮声120dB。每条曲线描绘的是相同响度下不同频率的声强级声响曲线听觉界限频率 HzdB声强级(3)声强级的应用 第30页/共67页dBHz声 阈频率语音范围疼痛界限音乐范围听觉界限声强级声音范围第31页/共67页超声波 胎儿的超 声波影象（假彩色）20000Hz的声波了解其应用第32页/共67页一.惠更斯原理1.原理:2.应用:t时刻波面 t+t时刻波面波的传播方向 6 惠更斯原理平面波t+t时刻波面ut波传播方向t 时刻波面球面波

10、 tt+t3.不足 在以后的任一时刻,这些子波面的包 迹面就是实际的波在该时刻的波前。媒质中波传到的各点,都可看作开始 发射子波的子波源(点波源)第33页/共67页水波通过窄缝时的衍射第34页/共67页2.作图：可用惠更斯原理作图a比较两图 如你家在大山后,听广播和看 电视哪个更容易?(若广播台、电视台都在山前侧)二.波的衍射1.现象:波传播过程中当遇到障碍物时,能 绕过障碍物的边缘而传播的现象。第35页/共67页广播和电视哪个更容易收到?更容易听到男的还是女的说话的声音？障碍物（声音强度相同的情况下）第36页/共67页2.波的折射 用作图法求出折射 波的传播方向BC=u1(t2-t1)媒质1

11、媒质2折射波传播方向AE=u2(t2-t1)ACit1t2BE由图有 波的折射定律 21sinsinuuii-入射角,-折射角三.波的反射和折射1.波的反射(略)=n21第37页/共67页光密媒质光疏媒质时，折射角r 入射角 i 。全反射的一个重要应用是光导纤维(光纤),它是现代光通信技术的重要器件。irn1(大)n2(小)i=iC r=90n1(大)n2(小)当入射i 临界角 iC 时，将无折射光 全反射。iC 临界角n2n1n21圆柱形包皮光纤传光原理第38页/共67页光 导 纤 维第39页/共67页光缆电缆 图中的细光缆和粗电缆的通信容量相同我国电信的主干线可达300公里。也只有几十公里

12、。而且损耗小。光纤通信容量大，在不加中继站的情况下，光缆传输距离而同轴电缆只几公里，微波早已全部为光缆。第40页/共67页7 波的叠加 驻波(一)波的叠加(superposition principle of waves)波传播的独立性：两不同形状的正脉冲?大小形状一样的正负脉冲 第41页/共67页 （仍可辨出不同乐器的音色、旋律）红、绿光束空间交叉相遇（红仍是红、绿仍是绿）（仍能分别接收不同的电台广播）听乐队演奏 空中无线电波很多波的叠加：在它们相遇处，质元的位移为各波单独在该处几列波可以保持各自的特点（方向、振幅、波长、频率）同时通过同一媒质，产生位移的合成。（亦称波传播的独立性）第42页

13、/共67页一.波传播的独立性媒质中同时有几列波时,每列波都将保持自己原有的特性(传播方向、振动方向、频率等),不受其它波的影响 二.波的叠加原理1.叠加原理:在几列波相遇而互相交叠的区域中，某点的振动是各列波单独传播 时在该点引起的振动的合成。2.波动方程的线性决定了波服从叠加原理 波的强度过大非线性波叠加原理不成立电磁波 光波在媒质中传播时弱光 媒质可看作线性媒质强光 媒质非线性,波的叠加原理不成立 麦可斯韦方程组的四个方程都是线性的,如果 也是线性关系-解满足叠加原理。第43页/共67页 波的干涉现象 波叠加时在空间出现稳定的振动加强和减弱的分布叫波的干涉。水波盘中水波的干涉第44页/共6

14、7页三.干涉现象和相干条件（附加内容）1.干涉现象 波叠加时在空间出现稳定的振动加强和减弱的分布2.相干条件(1)频率相同(2)有恒定的相位差(3)振动方向相同 四.波场的强度分布1.波场中任一点的合振动S2S1r1r2 p设振动方向屏面 S1 y10=A10cos(t+10)S2 y20=A20cos(t+20)P点两分振动 y1=A1cos(t+10-kr1)y2=A2cos(t+20-kr2)相位差:=(20-10)-k(r2-r1)第45页/共67页强度合振幅 A=(A12+A22+2A1A2cos)1/22 加强、减弱条件 加强条件(相长干涉)=(20-10)-k(r2-r1)=2m

15、(m=0,1,2,)p点合振动若 A1=A2,则 Imax=4 I1 减弱条件(相消干涉)=(20-10)-k(r2-r1)=(2m+1)(m=0,1,2,)若 A1=A2,则 Imin=0特例：20=10加强条件 减弱条件 第46页/共67页 相干条件：频率相同；振动方向相同；有固定的相位差。两列波干涉的一般规律留待在后面光的干涉中再去分析。下面研究一种特殊的、常见的干涉现象 驻波第47页/共67页(二).驻波（standing wave）就形成驻波，设两列行波分别沿 x 轴的正向和反向传播，能够传播的波叫行波（travelling wave）。1.驻波的描述两列相干的行波沿相反方向传播而叠

16、加时，它是一种常见的重要干涉现象。在 x=0 处两波的初相均为 0：第48页/共67页yA合A2A1令如图相位中无 x其绝对值为振幅不具备传 播的特征驻波演示各点都做简谐振动，振幅随位置不同而不同。第49页/共67页2At=0y0 x0t=T/8xx0t=T/20 xt=T/4波节波腹/4-/4x02A-2A振动范围/2xt=3T/80第50页/共67页各处不等大，出现了波腹（振幅最大处）和波节（振幅最小处）。测波节间距可得行波波长。相邻波节间距/2，没有x 坐标，在波节两侧变号 x=/2 波腹 x=0 波腹 x=3/4,波节x=/4,波节(-)(-)(+)(+)（1）振幅：（2）相位：故没有

17、了相位的传播。驻波是分段的振动。两相邻波节间为一段，2.驻波的特点：同一段振动相位相同；相邻段振动相位相反：第51页/共67页合能流密度为但各质元间仍有能量的交换。（3）能量：平均说来没有能量的传播，能量由两端向中间传，瞬时位移为0，能量由中间向两端传，势能动能。动能最大。势能为0，动能势能。第52页/共67页3.的情形：设则有典型的驻波行波此时总的仍可叫“驻波”，不过波节处有振动。(三).波在界面的反射和透射，“半波损失”0透射波 y2反射波 y1入射波 y1z2z1x 特性阻抗第53页/共67页透射波：（2）若z1 z2，则 1=1反射波：相位关系反射波和入射波同相即波密波疏，反射波有相位

18、突变即波疏波密，半波损失均有 2=1不论 z1 z2，还是 z1 0)3.接收器静止,波源运动 (VR=0,设VS0)R=,但 SuSvS=0RvR第61页/共67页实0SvSuTSVSTSS运动的前方波长缩短vSS R 实 R 实=uTS VSTS第62页/共67页4.接收器、波源都运动(设 VS、VR均0)S R 若S和R的运动不在二者连线上 RSSRVSVR有纵向多普勒效应无横向多普勒效应 若波源速度超过波速(VSu)SuvS马赫锥冲击波带 uSvS vS 马赫锥 超音速飞机会在空气 中激起冲击波飞行速度与声速的比值VS/u(称马赫数)决定 角 切仑柯夫辐射第63页/共67页水波的多普勒效应（波源向左运动）第64页/共67页超音速的子弹在空气中形成的激波（马赫数为2）第65页/共67页第二章 作业 P108 习题：2.4,2.5，2.6 2.17,2.18 本章结束 第66页/共67页谢谢您的观看！第67页/共67页