机械波的产生和传播优秀课件.ppt

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1、机械波的产生和传播第1页，本讲稿共23页重点：重点：物理意义；物理意义；波动表达式的建立波动表达式的建立（2）波的能量和能流密度）波的能量和能流密度（3）波的干涉）波的干涉（1）平面简谐波波动表达式）平面简谐波波动表达式第2页，本讲稿共23页n波动是物质运动的重要形式之一波动是物质运动的重要形式之一(另一为粒子运动另一为粒子运动)n波动的分类波动的分类n机械波：机械振动在介质中的传播：声波、水波、地震波机械波：机械振动在介质中的传播：声波、水波、地震波 我们听到的声音，一般是声源的振动扰动了空气，扰动以波的我们听到的声音，一般是声源的振动扰动了空气，扰动以波的形式传递形成的。频率在形式传递形成

2、的。频率在20HZ20HZ与与20000HZ20000HZ之间的机械波可以使人产之间的机械波可以使人产生声音的感觉，我们把它称为声波。频率在生声音的感觉，我们把它称为声波。频率在20HZ20HZ以下的机械波叫以下的机械波叫做次声波，而频率在做次声波，而频率在20000HZ20000HZ以上的机械波叫做超声波。以上的机械波叫做超声波。n 电磁波：变化的电场和磁场在空间的传播电磁波：变化的电场和磁场在空间的传播 无线电波、光波、无线电波、光波、X X射线射线n概率波概率波(物质波物质波)：波动是一切微观粒子的属性，与微观粒子对应的波：波动是一切微观粒子的属性，与微观粒子对应的波称为物质波。称为物质

3、波。前言前言第3页，本讲稿共23页各种类型的波有其特殊性，但也有普遍的共性：各种类型的波有其特殊性，但也有普遍的共性：n具有一定的传播速度具有一定的传播速度n伴随有能量的传播伴随有能量的传播n是振动状态的传播过程是振动状态的传播过程n能产生反射、干涉、衍射等现象能产生反射、干涉、衍射等现象n有类似的波动方程。有类似的波动方程。n第4页，本讲稿共23页本章研究方法n运用运动学和动力学的知识初步研究波运用运动学和动力学的知识初步研究波动的基本概念和基本规律动的基本概念和基本规律第5页，本讲稿共23页第一节第一节 机械波的产生和传播机械波的产生和传播一、机械波产生的条件一、机械波产生的条件1 1、有

4、作机械振动的物体，即、有作机械振动的物体，即波源波源2、有连续的、有连续的介质介质第6页，本讲稿共23页弹性媒质：弹性媒质：在物体内部传播的机械波都要依靠物体的弹性联系才在物体内部传播的机械波都要依靠物体的弹性联系才能将振动由近及远传播。这类靠弹性来传播波的媒质称为弹性媒质。能将振动由近及远传播。这类靠弹性来传播波的媒质称为弹性媒质。弹性波：弹性波：如果波动中使介质各部分振动的回复力是弹性力，则如果波动中使介质各部分振动的回复力是弹性力，则称为弹性波。称为弹性波。弹性力：弹性力：有正弹性力（压、张弹性力）和切弹性力；有正弹性力（压、张弹性力）和切弹性力；液体和气液体和气体弹性介质中只有正弹性力

5、而没有切弹性力。体弹性介质中只有正弹性力而没有切弹性力。第7页，本讲稿共23页二、二、按照质点的振动方向和波的传播方向的关系，将弹性媒质按照质点的振动方向和波的传播方向的关系，将弹性媒质中的波分为纵波和横波中的波分为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。第8页，本讲稿共23页第9页，本讲稿共23页小结：n某时刻、某点的振动状态或相位将在较晚的时刻较远的地方某时刻、某点的振动状态或相位将在较晚的时刻较远的地方重现，同一时刻介质中各点呈现出波源先前各个时刻的振动重现，同一时刻介质中各

6、点呈现出波源先前各个时刻的振动状态。状态。n媒质中质点并不随波前进，各质点仅在各自的平衡位置附近振动，即媒质中质点并不随波前进，各质点仅在各自的平衡位置附近振动，即波是振动状态的传播，是能量的传播，没有质量的迁移。波是振动状态的传播，是能量的传播，没有质量的迁移。第10页，本讲稿共23页小结（续）：n同一时刻沿着波的传播方向各质点的相位依次落后。这同一时刻沿着波的传播方向各质点的相位依次落后。这是因为离波源越远的质点，开始振动得越晚。是因为离波源越远的质点，开始振动得越晚。n当介质均匀，各个质点的振动规律与波源相同。无损耗时，当介质均匀，各个质点的振动规律与波源相同。无损耗时，各个质点的振幅相

7、等。若波源做简谐振动，则介质中各质各个质点的振幅相等。若波源做简谐振动，则介质中各质点也做简谐振动。点也做简谐振动。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。第11页，本讲稿共23页三、波的几何描述波场波场-波传播到的空间。波传播到的空间。波面（同相面）波面（同相面）-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。如：如：1.1.石子落入水中，以石子落水点为圆心，激起一个个向外扩展的同心圆环状水波，沿着任石子落入水中，以石子落水点为圆心，激起一个个向外扩展的同心圆环状水波，沿着任一圆环，各点

8、振动状态相同。一圆环，各点振动状态相同。2.2.点状声源发出的声波：波面为球面点状声源发出的声波：波面为球面波前（波阵面）波前（波阵面）-把某一时刻波动所到达的各点所连成的曲面叫做波前把某一时刻波动所到达的各点所连成的曲面叫做波前（最前面的波面）。（最前面的波面）。n 波前表达了一个波现在传播了多远波前表达了一个波现在传播了多远n 波前随时间推移波前随时间推移n 波前的相位始终是波前的相位始终是t t0 0时波源的相位，且始终比其他波面的相位滞后时波源的相位，且始终比其他波面的相位滞后第12页，本讲稿共23页注意：注意：n在均匀介质中，波线与波面正交。在均匀介质中，波线与波面正交。n波线与振动

9、方向不同波线与振动方向不同n沿波线方向各质点的振动相位依次落后。沿波线方向各质点的振动相位依次落后。n波线上任意一点的振动状态就代表了一个波面上所有点波线上任意一点的振动状态就代表了一个波面上所有点的振动状态。的振动状态。波线波线波线（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。第13页，本讲稿共23页O波线波线如果如果 超前超前 的相位为的相位为 ，超前超前 相位为相位为？超前超前相位为相位为？第14页，本讲稿共23页波面波面波线波线球面波球面波波线波线波波面面球面波：波面为球面，其波线为沿半径方向球面波：波面为球面，其波线为沿半径方向由点波源发出的直线由点波源发

10、出的直线柱面波：柱面波：波面是柱面的波波面是柱面的波第15页，本讲稿共23页波线波线波面波面平面波平面波波面波面波线波线平面波：波面是平面的波称为平面波平面波：波面是平面的波称为平面波n平面波的波线相互平行平面波的波线相互平行n以波线为横轴，只要以波线为横轴，只要X的位置确定，并且确定了一的位置确定，并且确定了一条波线上条波线上X处的振动状态，则此波面上所有质点的处的振动状态，则此波面上所有质点的振动状态都确定了。振动状态都确定了。第16页，本讲稿共23页四、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体积发：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

11、的形状和体积能完全恢复生改变，当外力撤去后，物体的形状和体积能完全恢复原状的形变。原状的形变。(1)(1)线变线变第17页，本讲稿共23页在弹性限度范围内，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第18页，本讲稿共23页在弹性限度范围内，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的压强的改变与容变应变的大小成正比大小成正比第19页，本讲稿共23页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中传播。播。纵波在

12、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。第20页，本讲稿共23页五、波的时空描述振动状态（即位相）在单位时间内传播的距振动状态（即位相）在单位时间内传播的距离称为离称为波速波速 ，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第21页，本讲稿共23页

13、 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：，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第22页，本讲稿共23页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第23页，本讲稿共23页