第23.1讲 机械波的产生和传播.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,机械波,第十一章,通过对具有直观性的机械波的研究，认识波动的基本规律。这对于研究其它形式的波是十分重要的。,相位传播是波动的本质，波动的能量特征、波的叠加和驻波的特点都离不开相位和相位传播这个概念。,振动状态在空间的传播形成波动，简称波。,激发波动的振动系统称为波源。,机械振动在弹性介质中的传播称为,机械波,：,周期性变化的电磁场在空间的传播称为,电磁波,，它包括：来自太阳的光辐射、热辐射、各种波段的无线电波、,x,射线、,射线等等。,可见，“波”是连接人体感官和周围环境的桥梁。,水面的涟猗、构成一切音响的声波，都是机械波。,人类就生活在这各种各样波的“海洋”之中,11.1,波的基本概念,一、波是振动状态的传递,当波在介质中传播时，介质中的质元并不随波逐流，它们仅在平衡位置附近振动。,波是与振动密切关联的。,例如由南太平洋风暴在海面产生的长波，以每小时,60km,或更高的速度传来（比风速更快，因而有经验的渔民根据长波的出现判断风暴将至，赶快寻找避风港）。,但这并不意味着海洋本身以如此壮观的方式整体移动过来！,潮汐与此不同，它是海洋整体运动形成的。,传播开去的只是振动状态。,这就是波的职能。,在波动过程中，水分子并没有向远处移动。,因此当我们描写与波相联系的运动时，必须区分出运动的两个方面,:,a.,波在介质中的传播；,b.,介质中粒子的运动。,二、波动的特征,波动具有一定的传播速度，并伴随着能量的输运。,可入性指在空间同一区域可同时经历两个或两个以上的波，因而波可以叠加。,干涉和衍射是波所特有的现象，,观察干涉、衍射现象是鉴别波动过程最有力的手段。,波动具有可入性和可叠加性。,固定空间一点来看，此处的振动具有时间周期性；而固定一个时刻来看，空间各点的振动分布又具有空间周期性。,波动具有时间和空间周期性。,三、多种多样的波,按,物理性质,分：机械波、电磁波、物质波等。,对机械波按,频率,分：次声波、声波、超声波,根据次声波能量可测出爆炸的当量级。,次声波可在地表传播很远距离。,次声武器。一般只伤害人员，不会造成环境污染,地震、火山爆发、核爆炸等都会产生强烈次声波。,次声波,频率低于,20Hz,的声波，传播远，穿透力强,超声波无损检测,探头,工件,T,B,T,B,探头,工件,T,B,T,B,缺陷,超声波的特点是频率高、,波长短，衍射不严重，因而具有良好的定向传播特性。,其穿透本领很强。,胎儿的超声波影象,声纳,质元振动方向与波的传播方向相互垂直的波,横波,:,按波的,传播方向和振动方向间的关系,分：,纵波：,质元振动方向与波传播方向相互平行的波,空气（或任何流体）中的声波是一种纵波。,有些波既有横波分量同时也具有纵波分量。,混合波：,例如水面波、,地震波等,按照传播的,空间维数,分：一维波（沿弦线）、二维波（表面波）和三维波；,按,波源扰动的方式,分：脉冲波、持续波；,按波传播过程中,波面形状,分：平面波、球面波、柱面波等。,尽管各种类型波的性质不同，但它们有相似的波动微分方程和波函数，且都具有波动特有的现象，如折射、反射、干涉和衍射等。,量子论揭示，波动不仅存在于宏观世界，甚至于单个的电子、质子、中子等微观粒子，它们也具有波的性质，称之为,物质波,。不过，物质波与宏观世界中的波有完全不同的本质。,四、波场、波线和波面,波场,波传播的空间区域,波,阵,面,波场中某时刻振动相位相同的点构成的曲面,波前,某时刻波源最初的振动状态传到的波面,波线（波射线）,代表波传播方向的射线,各向同性均匀介质中，波线恒与波面垂直。,沿波线方向各质点的振动相位依次落后。,波线,波面,波面,波线,平面波,球面波,波面,波线,波线,波面,在均匀、无吸收的介质中，当波源作简谐振动时形成的波即为,简谐波,。,简谐波是一种,最简单、最基本的波,，任何复杂的波都可以看成若干个简谐波叠加而成。,简谐波是一种,理想化的模型,。严格的简谐波是无法实现的。,平面简谐波,：波阵面是平面的简谐波,球面简谐波,：波阵面是球面。,五、简谐波,(,simple harmonic wave,),在宏观上，可将气体、液体或固体当作连续体，其体内各个相邻的质元间以弹性力维系着。,形成机械波要具备两个条件：,波源,、,弹性介质,。,光波（电磁波）可以在真空中传播。,一、机械波产生的条件,11-2,机械波的产生和传播,当任一质元在外界作用下偏离平衡位置时，邻近质元对其作用的弹性回复力就会使它发生振动；同时这些邻近质元又受到该质元及其它邻近质元的弹性力作用，也会振动起来。,于是振动相互耦合，由近及远、由此及彼地传播开去，形成,机械波,。,机械波向外传播的是波源（及各质点）的振动状态和能量。,波动是振动状态的传递，担负,机械振动,状态传递职能的是,弹性介质,，即弹性体。,杨氏模量,Y,切变模量,G,容变模量,B,Y,、,G,、,B,都由介质本身的性质决定，一般由实验测定。,描述弹性性质的物理量是,弹性模量。,二、弹性介质,*物体的弹性形变,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，物体的形状和体积能完全恢复原状的形变。,长变,称为应变或胁变,在弹性限度范围内，应力与应变成正比,切变,相对面发生相对滑移,切变的应变或胁变,Y,称为杨氏模量,在弹性限度范围内，应力与应变成正比,容变,在弹性限度范围内，,压强的改变与容变应变的大小成正比。,容变的应变,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。,弹性力：,正弹性力,(,压、张弹性力,),切弹性力,；,由于液体和气体弹性介质中不会发生切变，因而没有切弹性力，所以,横波不能在液体或气体中传播,。而固体介质则能发生切变，产生切弹性力，所以,横波可以在固体介质中传播,。,弹性介质都可产生,容变,，所以,纵波可以在,固体、液体、气体中传播,。,探测地球内部的构造，最重要的方法是利用地震波（当代最深的钻孔也只有,10 km,的量级）。,在短暂的作用下，地球介质可以看成弹性体。当地内发生任何扰动时，例如地震或人工爆破，一部分能量以弹性波的形式传播出去。,人工地震波 探测地球内部的构造,P,波、,S,波,P,波,震源,表面波,地幔,内核,在,2900 km,的深度上，地震波的纵波（,P,波）速度陡然下降；横波（,S,波）消失。,以这个间断为界,2900 km,以上叫,地幔,，,2900 km,以下叫,地核,。,大约在,5000 km,之下，又有了一个可以传播,S,波的故态内核，这是较晚才得到的新认识。,在地核的边界上，可以产生,P,波和,S,波的反射，但只有,P,波可以继续向地核内部折射。,这表明：,地核内部处于液态,三、描述波传播的几个物理量,波速,振动状态在媒质中传播的速度，用,u,或,c,表示。,（或波阵面在单位时间中越过的距离）,由于振动状态由相位描述，所以波速可以说是相位在介质中的传播速度，因此又称为,相速度,。,切记不要把波速与质点的振动速度混淆起来！,顺着波传播的方向看过去，介质质元的相位依次滞后。这就反映了振动的传播需要时间。,(,固体,),(,液体、气体,),(,弦线上的波速,),波速仅取决于介质性质,弹性性质、惯性性质,(,固体,),T,为弦中张力，,为弦的线密度,波长,沿波传播方向两相邻,同相,质点之间的距离。,波长可形象地想象为一个完整的“波”的长度；,横波波长：,相邻两个波峰或波谷之间的距离,纵波,波长,：,相邻两个密部或疏部之间的距离,x,y,o,周期反映了波的时间周期性,，即每经过一个周期，媒质中各点的振动状态重复一次。,周期,一个完整波通过波线上某点所需的时间，用,T,表示。,（或波传播的,距离所用的时间）,波在单位时间传播的距离内所包含的完整波的数目。,频率,波长反映了波的空间周期性,，即每经过一个波长，媒质中各点的振动状态重复一次。,波长、周期、波速三个物理量之间的关系：,表示,2,长度上完整波的数目，,称为,角波数。,单位长度内完整的波的数目,称为,波数,介质决定,波源决定,在室温下，已知空气中的声速为,u,1,=340m/s,，水中的声速为,u,2,=1450m/s,，求频率为,200Hz,的声波在空气和水中的波长。,解：,例题,1,：,由,得,空气中,水中,波速决定于介质，频率决定与振源，所以同一波源发出的一定频率的波在不同介质中传播时，频率不变，但波速不同，因而波长也不同。,在介质的界面两侧，波速和波长突变；,注意这个关系式的运用条件：,波源和接收器都相对介质静止；,在弹性介质中，弹性波的传播存在频率上限。,弹性波具有频率上限,讨论弹性波的传播时，假设,介质是连续的,。,作这种假设的条件是波长远大于介质分子的间距。这时在一个波长范围内包含大量的介质分子，宏观上看，介质就象是连续的。,但如果波长小到接近分子间距离的数量级时，相距一个波长的两分子间不再有其它分子，这时我们就不能认介质是连续体，它也不再能传播这样的弹性波。,