哈工大大学物理课件-机械波-刘星斯维提整理详解.ppt

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1、两列两列振幅相同振幅相同的相干波在同一直线上的相干波在同一直线上沿相反方向沿相反方向传播彼此传播彼此相遇叠加而形成的波。相遇叠加而形成的波。15-6 驻波驻波波节波节波腹波腹1驻波表达式驻波表达式振动因子振动因子（相位中无（相位中无 x）振幅因子振幅因子（绝对值为振幅）（绝对值为振幅）不具备传播的特征不具备传播的特征不具备传播的特征不具备传播的特征 驻波是各点振幅不同驻波是各点振幅不同的简谐振动的集体表现的简谐振动的集体表现设两列相干波：设两列相干波：22At=0y0 x0t=T/8xx0t=T/20 xt=T/4波波节节波波腹腹/4x02A-2A/2xt=3T/803 波腹位置波腹位置当当(

2、n=0,1,2)当当波节位置波节位置(n=0,1,2)XY波节波节波腹波腹4一、驻波的特点一、驻波的特点 有波腹和波节有波腹和波节，且相邻的波腹与波腹 或波节与波节间距离为 相邻的波节与波腹间的距离为 振幅：振幅：振幅：振幅：XY52.2.相位：相位：相位：相位：质点分段振动质点分段振动质点分段振动质点分段振动同一段同一段同一段同一段 (相邻两波节间相邻两波节间)：相位相同相位相同相位相同相位相同,相邻两段相邻两段相邻两段相邻两段 (波节两侧波节两侧):相位相反相位相反相位相反相位相反。振动因子中无振动因子中无 x，故故无相位及波形的传播无相位及波形的传播。相位不传播相位不传播相位不传播相位不

3、传播 波形不传播波形不传播波形不传播波形不传播 合平均能流密度为合平均能流密度为3.3.能量：能量：能量：能量：平均说来平均说来没有能量的传播没有能量的传播。驻字含义驻字含义能量不传播能量不传播能量不传播能量不传播 6能量由两端向中间转移，能量由两端向中间转移，瞬时位移为瞬时位移为0，能量由中间向两端转移，能量由中间向两端转移，势能势能动能。动能。动能最大。动能最大。势能为势能为0，动能动能势能。势能。驻波中没有能量的定向传播，驻波中没有能量的定向传播，能量只是在波腹与波节之间，能量只是在波腹与波节之间，进行着动能和势能的转换。进行着动能和势能的转换。7 反射点反射点 b处是节、腹？处是节、腹

4、？反射波反射波透射波透射波入射波入射波或或入射波入射波三、半波损失三、半波损失（相位跃变）（相位跃变）特性阻抗特性阻抗z大大 波密媒质波密媒质z小小 波疏媒质波疏媒质相对相对而言而言一般而言：一般而言：透射波：透射波：还是还是 z1 z2，若忽略透射，则入射和反射波的波形如下：若忽略透射，则入射和反射波的波形如下：8若忽略透射，则入射和反射波的波形如下：若忽略透射，则入射和反射波的波形如下：波腹波腹相位不变相位不变波疏媒质波疏媒质波密媒质波密媒质x驻波驻波波节波节驻波驻波相位突变相位突变 波疏媒质波疏媒质波密媒质波密媒质x当波密当波密波疏，波疏，反射波和入射波同相反射波和入射波同相当波当波疏疏

5、波波密密，反射波反射波在在反射处反射处发生了发生了 的相位突变的相位突变的相位突变的相位突变-半波损失半波损失半波损失半波损失9若若反射波中产生反射波中产生“半波损失半波损失”，界面出现节点，界面出现节点称为半波反射称为半波反射若若反射波中无反射波中无“半波损失半波损失”，界面出现腹点，界面出现腹点称为全波反射称为全波反射（从波疏媒质进入波密媒质）从波疏媒质进入波密媒质）（从波密媒质进入波疏媒质）从波密媒质进入波疏媒质）10有许多种可能的有许多种可能的稳定振动方式稳定振动方式。一个驻波系统有很多个一个驻波系统有很多个“固有频率固有频率”，四、两端固定的弦中的驻波四、两端固定的弦中的驻波 简正模

6、式简正模式限定：限定：两端为波节两端为波节可能的模式可能的模式11L二次二次谐频谐频n=2三次三次谐频谐频n=3基频基频n=1每种可能的每种可能的稳定振动方式稳定振动方式 称作振动系统的一个称作振动系统的一个简正模式。简正模式。12系统究竟按那种模式振动，取决于初始条件系统究竟按那种模式振动，取决于初始条件。一般是各种简正。一般是各种简正模式的叠加。模式的叠加。当周期性强迫力的频率与系统（例如，弦）的固有频率之一当周期性强迫力的频率与系统（例如，弦）的固有频率之一相同时，产生强驻波，系统中该频率振动的振幅最大相同时，产生强驻波，系统中该频率振动的振幅最大-共振共振例：长为例：长为L的弦线，波在

7、线中的传播速度为的弦线，波在线中的传播速度为改变改变T或或L,即改变即改变 13141.声强声强-声波的强度声波的强度引起痛觉的声音引起痛觉的声音炮炮 声声铆铆 钉钉 机机交通繁忙的街道交通繁忙的街道通通 常常 谈谈 话话耳耳 语语引起听觉的最低声音引起听觉的最低声音树树 叶叶 沙沙 沙声沙声声声 源源声强（声强（W m-2）响响 度度1110-210-510-610-1010-1110-12震耳震耳响响正常正常轻轻极轻极轻 15-7 声波声波（可闻）声波：（可闻）声波：次声波：次声波：超声波：超声波：152.声强级（声强级（L）定义：某声波的声强为定义：某声波的声强为I I，则声强级则声强级

8、：I I0 0为人耳听得到的最小声强（标准声强）为人耳听得到的最小声强（标准声强）（Bel）单位：贝尔（单位：贝尔（belbel）或或“分贝分贝”3.超声波及应用超声波及应用u 超声波的产生超声波的产生:通常利用电磁振荡与机械振动的转换来实现通常利用电磁振荡与机械振动的转换来实现电声换能器电声换能器压电换能器压电换能器磁致伸缩换能器磁致伸缩换能器超声波发生器超声波发生器:16电声换能器电声换能器压电换能器压电换能器磁致伸缩换能器磁致伸缩换能器 压电换能器压电换能器利用具有压电效应的陶瓷晶体利用具有压电效应的陶瓷晶体(如石英如石英,钛酸钡钛酸钡,锆钛酸铅等锆钛酸铅等)制成制成.压电效应压电效应:

9、晶体在周期性压力作用下晶体在周期性压力作用下,产生周期性的电压产生周期性的电压.逆压电效应逆压电效应:晶体在周期性电压作用下晶体在周期性电压作用下,产生周期性的产生周期性的机械振动机械振动(或称为电致伸缩效应或称为电致伸缩效应)-产生超声波产生超声波 磁致伸缩换能器磁致伸缩换能器利用具有磁致伸缩效应的铁磁材料利用具有磁致伸缩效应的铁磁材料(如纯镍如纯镍,镍钴合金和镍钴合金和钴铁氧体等钴铁氧体等)制成制成.超声波发生器超声波发生器:磁致伸缩效应磁致伸缩效应:指材料在周期性磁场的作用下指材料在周期性磁场的作用下,发生的周期性的发生的周期性的伸缩效应伸缩效应.-产生超声波产生超声波17磁致伸缩效应磁

10、致伸缩效应:指材料在周期性磁场的作用下指材料在周期性磁场的作用下,发生的周期性的发生的周期性的伸缩效应伸缩效应.-产生超声产生超声波波超声波接收器超声波接收器:利用压电效应和利用压电效应和逆逆磁致伸缩效应磁致伸缩效应超声波信号超声波信号电信号电信号u 超声波的应用超声波的应用:u 超声波的特点超声波的特点:声强大声强大,方向性好方向性好,穿透性好穿透性好 探测海洋深度探测海洋深度,海底地形海底地形,鱼群鱼群,舰艇等舰艇等.超声探伤超声探伤 医疗检测医疗检测 超声粉碎超声粉碎,焊接焊接,钻空钻空,清洗等清洗等18多普勒效应多普勒效应:当当波源波源S和和接收器接收器(观察者观察者)R有相对运动时有

11、相对运动时,接收器所测得的频率接收器所测得的频率 R R 不等于不等于波源振动频率波源振动频率 S S 的现象。的现象。设设 S 和和 R的运动沿二者连线。的运动沿二者连线。符号规定符号规定:S 和和 R 相互靠近时相互靠近时,vS、vR为正，反之为负；为正，反之为负；u 恒取正值恒取正值 三个频率三个频率 :S 波源的振动频率波源的振动频率 波波(在介质中在介质中)的频率的频率 R 接收频率接收频率vRRSvSu 15-8 多普勒效应多普勒效应 Vs 波源相对介质的速度波源相对介质的速度VR 观测者相对介质的速度观测者相对介质的速度u 波波在介质中的传播速度在介质中的传播速度 三个速度：三个

12、速度：19分几种情况讨论分几种情况讨论:S=,但但 R=?一、波源静止一、波源静止,接收器运动接收器运动(vS=0,vR 0)设设R 向着静止的向着静止的 S 运动，运动，单位时间内单位时间内 R 所接收的波的个数为所接收的波的个数为因为因为 S=,R 靠近靠近S时时(vR0),有有 R S 。R 远离远离S时时(vR0),有有 Ru 时不适用时不适用)22三、接收器、波源都运动三、接收器、波源都运动(vS 0、vR 0)S R 可综合上面可综合上面 1 1、2 2 两种情况，有两种情况，有S、R相互靠近时相互靠近时 (例如例如VS0、VR0)R S (如为声波如为声波,则声音变尖）则声音变尖

13、）S、R相互远离时相互远离时 (例如例如VS0、VR0)R 0、VR0)R S (如为声波如为声波,则声音变尖）则声音变尖）S、R相互远离时相互远离时 (例如例如VS0、VR0)R S（如为声波（如为声波,则声音变钝）则声音变钝）24水波的多普勒效应（波源向左运动）水波的多普勒效应（波源向左运动）25警警察察用用多多普普勒勒测测速速仪仪测测速速26电磁波的多普勒效应：电磁波的多普勒效应：接近：接近：远离：远离：速度监测器速度监测器速度监测原理速度监测原理微波雷达发射器微波雷达发射器探测器探测器数据处理系统数据处理系统V表示波源与接收器间的相对运动速度表示波源与接收器间的相对运动速度监测雷达发射

14、微波，频率为监测雷达发射微波，频率为 S，被以速度被以速度V运动的汽车接收运动的汽车接收汽车反射微波信号，接收器接收到的频率为汽车反射微波信号，接收器接收到的频率为27监测雷达发射微波，频率为监测雷达发射微波，频率为 S，被以速度被以速度V运动的汽车接收运动的汽车接收汽车反射微波信号，接收器接收到的频率为汽车反射微波信号，接收器接收到的频率为接收器接收的频率接收器接收的频率 与发射器发射的频率与发射器发射的频率 S之差之差因因VC,故故 S 接收频率变高；接收频率变高；相互远离时相互远离时 R S 接收频率变低（红移）。接收频率变低（红移）。星体光谱的红移星体光谱的红移观测发现：星体光谱都有红移现象观测发现：星体光谱都有红移现象-宇宙在膨胀宇宙在膨胀。29