大学物理机械波课件教学提纲.ppt
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1、大学物理 机械波课件二、纵波和横波二、纵波和横波横波横波振动方向与传播方向垂直,如电磁波振动方向与传播方向垂直,如电磁波纵波纵波振动方向与传播方向相同,如声波。振动方向与传播方向相同,如声波。横波在介质中传播时,介质中产生横波在介质中传播时,介质中产生切变切变,只能在,只能在固体固体中传播。中传播。纵波在介质中传播时,介质中产生纵波在介质中传播时,介质中产生容变容变,能在,能在固体固体、液体液体、气体气体中传播。中传播。结论结论:机械波向外传播的是波源(及各质点):机械波向外传播的是波源(及各质点)的振动状态和能量。的振动状态和能量。三、波线和波面三、波线和波面波场波场-波传播到的空间。波传播
2、到的空间。波面波面-波场中同一时刻振动位相相同的点的轨迹。波场中同一时刻振动位相相同的点的轨迹。波前(波阵面)波前(波阵面)-某时刻波源最初的振动状态某时刻波源最初的振动状态 传到的波面。传到的波面。波线(波射线)波线(波射线)-代表波的传播方向的射线。代表波的传播方向的射线。各向同性均匀介质中,波线恒与波面垂直各向同性均匀介质中,波线恒与波面垂直.波线波线波面波面波面波面波线波线波面波面波线波线波线波线波波面面四、简谐波四、简谐波波源以及介质中各质点的振动都是谐振动。波源以及介质中各质点的振动都是谐振动。任何复杂的波都可以看成若干个简谐波叠加而成。任何复杂的波都可以看成若干个简谐波叠加而成。
3、*五、物体的弹性形变五、物体的弹性形变弹性形变弹性形变:物体在一定限度的外力作用下形状和:物体在一定限度的外力作用下形状和体积发生改变,当外力撤去后,物体的形状和体体积发生改变,当外力撤去后,物体的形状和体积能完全恢复原状的形变。积能完全恢复原状的形变。(1)(1)长变长变在弹性限度范围内,应力与应变成正比在弹性限度范围内,应力与应变成正比(2)切变切变相对面发生相对滑移相对面发生相对滑移在弹性限度范围内,应力与应变成正比在弹性限度范围内,应力与应变成正比(3)容变容变在弹性限度范围内,在弹性限度范围内,压强的改变与容变应变压强的改变与容变应变的大小成正比的大小成正比六、描述波动的几个物理量六
4、、描述波动的几个物理量振动状态(即位相)在单位时间内传播振动状态(即位相)在单位时间内传播的距离称为的距离称为波速波速 ,也称之,也称之相速相速。1 1、波速、波速 u在固体媒质中在固体媒质中纵波纵波波速为波速为G、E为媒质的切变弹性模量和杨氏弹性模量为媒质的切变弹性模量和杨氏弹性模量 为介质的密度为介质的密度在固体媒质中在固体媒质中横波横波波速为波速为在同一种固体媒质中,在同一种固体媒质中,横波横波波速比波速比纵波纵波波速小些波速小些 T为弦中张力,为弦中张力,为弦的线密度为弦的线密度在弦中传播的在弦中传播的横波横波波速为波速为:在液体和气体只能传播在液体和气体只能传播纵波纵波,其波速为:,
5、其波速为:B为介质的容变弹性模量为介质的容变弹性模量 为密度为密度理想气体理想气体纵波纵波声速声速:为气体的摩尔热容比,为气体的摩尔热容比,Mmol为气体的摩尔质量,为气体的摩尔质量,T为热力学温度,为热力学温度,R为气体的普适常数,为气体的普适常数,为气体的密度为气体的密度3、波长、波长 2、波的周期、波的周期和频率和频率波的周期:一个完整波形通过介质中某固定点波的周期:一个完整波形通过介质中某固定点所需所需 的时间,用的时间,用T表示。表示。波的频率:单位时间内通过介质中某固定点完整波波的频率:单位时间内通过介质中某固定点完整波 的数目的数目,用,用 表示。表示。同一波线上相邻的位相差为同
6、一波线上相邻的位相差为2 的两质点的距离的两质点的距离。介质决定介质决定波源决定波源决定一、平面简谐波的波动方程一、平面简谐波的波动方程平面简谐波平面简谐波简谐波的波面是平面。简谐波的波面是平面。(可当作一维简谐波研究)可当作一维简谐波研究)5-2 平面简谐波的波动方程平面简谐波的波动方程一平面简谐波在理想介质中沿一平面简谐波在理想介质中沿x轴正向传播,轴正向传播,x轴即为某一波线轴即为某一波线设原点振动表达式:设原点振动表达式:y表示该处质点偏离平衡位置的表示该处质点偏离平衡位置的位移位移x为为p点在点在x轴的坐标轴的坐标p点的振动方程:点的振动方程:t 时刻时刻p处质点的振动状态重复处质点
7、的振动状态重复时刻时刻O处质点的振动状态处质点的振动状态O点振动状态传到点振动状态传到p点需用点需用 沿沿x轴正向轴正向传播的平面简谐波的波动方程传播的平面简谐波的波动方程沿着波传播方向,各质点的振动依次落后于波源振动沿着波传播方向,各质点的振动依次落后于波源振动为为p点的振动落后与原点振动的时间点的振动落后与原点振动的时间沿沿x轴负向轴负向传播的传播的平面简谐波的波动方程平面简谐波的波动方程若波源(原点)振动初位相不为零若波源(原点)振动初位相不为零或或波矢波矢,表示在,表示在2 长度内所具有的完整波的长度内所具有的完整波的数目。数目。二、波动方程的物理意义二、波动方程的物理意义1.1、如果
8、给定、如果给定x,即即x=x0tTTx0处质点的振动初相为处质点的振动初相为为为x0处质点落后于原点的位相处质点落后于原点的位相为为x0处质点的振动方程处质点的振动方程则则y=y(t)若若x0=则则 x0处质点落后于原点的位相为处质点落后于原点的位相为2 是波在空间上的周期性的标志是波在空间上的周期性的标志2.2、如果给定、如果给定t,即即t=t0 则则y=y(x)表示给定时刻波线上各质表示给定时刻波线上各质点在同一时刻的位移分布,点在同一时刻的位移分布,即给定了即给定了t0 时刻的波形时刻的波形同一波线上任意两点的振动位相差同一波线上任意两点的振动位相差XYOx1x2同一质点在相邻两时刻的振
9、动位相差同一质点在相邻两时刻的振动位相差T是波在时间上的是波在时间上的周期性的标志周期性的标志3.如如x,t 均变化均变化y=y(x,t)包含了不同时刻的波形包含了不同时刻的波形t时刻的波形方程时刻的波形方程t+t时刻的波形方程时刻的波形方程t时刻时刻,x处的某个振动状态经过处的某个振动状态经过 t,传播了,传播了 x的距离的距离在时间在时间 t内整个波形沿波的内整个波形沿波的传播方向平移了一段距离传播方向平移了一段距离 x行波行波三、平面波的波动微分方程三、平面波的波动微分方程沿沿x方向传播的平面方向传播的平面波动微分方程波动微分方程求求t 的二阶导数的二阶导数求求x的二阶导数的二阶导数一一
10、、波的能量和能量密度、波的能量和能量密度 波不仅是振动状态的传播,而且也是伴随着振波不仅是振动状态的传播,而且也是伴随着振动能量的传播。动能量的传播。有一平面简谐波有一平面简谐波质量为质量为在在x处取一体积元处取一体积元质点的振动速度质点的振动速度 5-3 波的能量波的能量 *声强声强体积元内媒质质点动能为体积元内媒质质点动能为体积元内媒质质点的弹性势能为体积元内媒质质点的弹性势能为体积元内媒质质点的总能量为:体积元内媒质质点的总能量为:1)在波动的传播过程中,任意时刻的动能和势能在波动的传播过程中,任意时刻的动能和势能不仅大小相等而且相位相同,同时达到最大,同不仅大小相等而且相位相同,同时达
11、到最大,同时等于零。时等于零。说明说明2)在波传动过程中,任意体积元的能量不守恒。在波传动过程中,任意体积元的能量不守恒。能量密度能量密度 单位体积介质中所具有的波的能量。单位体积介质中所具有的波的能量。平均能量密度平均能量密度 一个周期内能量密度的平均值。一个周期内能量密度的平均值。能流能流:单位时间内通过介质中某一单位时间内通过介质中某一 截面的能量。截面的能量。二、二、波的波的能流和能流密度能流和能流密度平均能流平均能流:在一个周期内能流的平均值。在一个周期内能流的平均值。能流密度(波的强度)能流密度(波的强度):通过垂直于波动传播方向的单位面积的平均能量通过垂直于波动传播方向的单位面积
12、的平均能量。例例 试证明在均匀不吸收能量的媒质中传播的平面波试证明在均匀不吸收能量的媒质中传播的平面波在行进方向上振幅不变,球面波的振幅与离波源的距在行进方向上振幅不变,球面波的振幅与离波源的距离成反比。离成反比。分析平面波和球面波的振幅分析平面波和球面波的振幅证明:证明:在一个周期在一个周期T内通过内通过S1和和S2面的能量应该相等面的能量应该相等所以所以,平面波振幅相等。平面波振幅相等。对平面波:对平面波:所以振幅与离波源的距离成反比。如果距波源单位所以振幅与离波源的距离成反比。如果距波源单位距离的振幅为距离的振幅为A则距波源则距波源r 处的振幅为处的振幅为A/r由于振动的相位随距离的增加
13、而落后的关系,由于振动的相位随距离的增加而落后的关系,与平面波类似,球面简谐波的波函数:与平面波类似,球面简谐波的波函数:对球面波:对球面波:三、三、波的吸收波的吸收波在实际介质中,由于波动能量总有一部分会被介波在实际介质中,由于波动能量总有一部分会被介质吸收,波的机械能不断减少,波强亦逐渐减弱。质吸收,波的机械能不断减少,波强亦逐渐减弱。波通过厚度为波通过厚度为dx的介质,其振幅衰减量为的介质,其振幅衰减量为-dA波强的衰减规律:波强的衰减规律:*四、声压、声强和声强级四、声压、声强和声强级声压声压:介质中有声波传播时的压力与无声波时的:介质中有声波传播时的压力与无声波时的 静压力之间的压差
14、。静压力之间的压差。平面简谐波,声压振幅为平面简谐波,声压振幅为声强声强:声波的能流密度。:声波的能流密度。频率越高越容易获得较大的声压和声强频率越高越容易获得较大的声压和声强引起人听觉的声波有引起人听觉的声波有频率范围频率范围和和声强范围声强范围声强级声强级人耳对响度的主观感觉由声强级和频率共同决定人耳对响度的主观感觉由声强级和频率共同决定5-45-4 惠更斯原理惠更斯原理惠更斯原理惠更斯原理 波的叠加和干涉波的叠加和干涉波的叠加和干涉波的叠加和干涉一一、惠更斯原理惠更斯原理惠更斯原理惠更斯原理:介质中波阵面(波前)介质中波阵面(波前)上的各点,都可以看作上的各点,都可以看作为发射子波的波源
15、,其为发射子波的波源,其后一时刻这些子波的包后一时刻这些子波的包迹便是新的波阵面。迹便是新的波阵面。平面波平面波t+t时刻波面时刻波面u t波传播方向波传播方向t时刻波面时刻波面球面波球面波 tt+tt时刻波面时刻波面 t+t时刻波面时刻波面波的传播方向波的传播方向如如你你家家在在大大山山后后,听听广广播播和和看看电电视视哪哪个个更更容容易易?(若若广广播播台台、电电视台都在山前侧视台都在山前侧)*应用惠更斯原理证明波的反射和折射定律应用惠更斯原理证明波的反射和折射定律二二、波的叠加波的叠加 各列波在相遇前和相遇后都保持原来的特性各列波在相遇前和相遇后都保持原来的特性(频率、波长、振动方向、传
16、播方向等)不便,(频率、波长、振动方向、传播方向等)不便,与各波单独传播时一样,而在相遇处各质点的振与各波单独传播时一样,而在相遇处各质点的振动则是各列波在该处激起的振动的合成。动则是各列波在该处激起的振动的合成。波传播的波传播的独立性原理独立性原理或波的或波的叠加原理叠加原理:说明说明:振动的叠加仅发生在单一质点上振动的叠加仅发生在单一质点上 波的叠加发生在两波相遇范围内的许多质点上波的叠加发生在两波相遇范围内的许多质点上能分辨不同的声音正是这个原因能分辨不同的声音正是这个原因 两列波若两列波若频率相同频率相同、振动方向相同振动方向相同、在相遇点的、在相遇点的位相相同或位相差恒定位相相同或位
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