诠释水波与水波折射.pdf

Modern Physics 现代物理现代物理,2024,14(2),47-55 Published Online March 2024 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/mp https:/doi.org/10.12677/mp.2024.142006 文章引用文章引用:黄绍书,王金霞.诠释水波与水波折射J.现代物理,2024,14(2):47-55.DOI:10.12677/mp.2024.142006 诠释水波与水波折射诠释水波与水波折射 黄绍书黄绍书，王金霞王金霞 六盘水市第23中学，贵州 六盘水 收稿日期：2024年2月8日；录用日期：2024年3月8日；发布日期：2024年3月19日 摘摘 要要 根据水波质点运动的轨迹方程及水波传播速度表达式深度认识水波的传播特点，指出高中物理教材对水根据水波质点运动的轨迹方程及水波传播速度表达式深度认识水波的传播特点，指出高中物理教材对水波折射概念描述的不准确性，厘清水波折射的概念。从水波由深度不同的一种水域运动到另一种水域过波折射概念描述的不准确性，厘清水波折射的概念。从水波由深度不同的一种水域运动到另一种水域过程中水势变化引起传播速度变化的角度剖析水波折射的本质原因，同时根据惠更斯原理对水波折射予以程中水势变化引起传播速度变化的角度剖析水波折射的本质原因，同时根据惠更斯原理对水波折射予以解释。解释。关键词关键词 水波折射水波折射，能量变化能量变化，水势水势，波高波高，等深线等深线，惠更斯原理惠更斯原理 Interpreting Water Waves and Water Wave Refraction Shaoshu Huang,Jinxia Wang No.23 Middle School in Liupanshui City,Liupanshui Guizhou Received:Feb.8th,2024;accepted:Mar.8th,2024;published:Mar.19th,2024 Abstract Based on the trajectory equation of water wave particle motion and the expression of water wave propagation speed,this paper deeply understands the propagation characteristics of water waves,points out the inaccuracy of the description of water wave refraction concept in high school phys-ics textbooks,and clarifies the concept of water wave refraction.Analyzing the essential reasons for water wave refraction from the perspective of the change in propagation speed caused by the change in water potential during the movement of water waves from one water body with differ-ent depths to another,and explaining water wave refraction based on the Huygens principle.黄绍书，王金霞 DOI:10.12677/mp.2024.142006 48 现代物理 Keywords Water Wave Refraction,Energy Changes,Water Potential,Wave Height,Isobaths,Huygens Principle Copyright 2024 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 现行各个版本的高中物理教材都编有机械波折射内容，并都仿照光的折射给出机械波折射的类似定义，即波由一种介质进入另一种介质时传播方向发生改变的现象称为波的折射。其中，有几种教材1 2 3还特别以水波为例，并认为水波在深水区跟浅水区的交界处发生折射的根本原因是深水区和浅水区是两种不同的介质。各地一线教师在教授水波折射这一知识点的课堂教学以及一些网站或自媒体平台4 5 6 7上传这一知识点的教学课件或教学视频，也都基本持这种观点。事实上，水波是很复杂的一种机械波。为了厘清水波折射的根本原因，本文根据物理海洋工程学的相关知识体系对水波的传播特点进行一定研究，同时结合实验室方法给出水波折射的概念并予以解释。2.水波的深度认识水波的深度认识 水波是依靠自身的表面张力、自身所受重力以及地转偏心力等共同作用传播的水面波，属于非弹性波。因此，水波跟其它机械波比如声波的传播特性不尽相同。同时，水波跟所有机械波一样，本质均不同于电磁波。根据水波波长跟水的深度的大小关系，通常将水波分为深水波、有限深水波和浅水波。如果水波的振幅小于水的深度，水波的传播不受水底部(海底、池塘底部等)影响，则称为深水波，否则称为 有限深水波或深水波。通常根据相对水深即水的深度 h 与水波波长之比h来划分，一般地：当0.5h时为深水波，也称为短波；当0.05h时为浅水波，也称为长波；当0.050.5h 时，(7)式已经足够精确。所以，通常当水深大于或等于波长一半即2h的波均可视为深水波，其参数变化关系可用如图 1 所示的k图像v图像表示。2)浅水波 当水深 h 或波数 k 趋于 0 即浅水条件时，有()()()()21tanh,sinh,cosh12khkhkhkhkhkh+(11)这时，(1)(4)(5)(6)四式可分别简化为()()221cos2khzgAkxt+=+(12)22gk h=(13)Tgh=(14)vgh=(15)因此，在浅水情况下，水波的传播速度只与水的深度有关，与水波的性质(周期或波长)无关。也就是 说，任何水波传到浅水区后，其传播速度只受水深控制，波动不再具有弥散性质。通常情况下，水深10h或10kh，所以sinsin，即。说明波阵线由深水区跨过分界线(等深线)进入浅水区的过程中，有逐渐与分界线(等深线)平行的趋势，也就是波线有逐渐与分界线(等深线)垂直的趋势。这正是在海岸上观察从深海传过来的海浪，到达近岸时波阵线总是大致与海岸平行，海浪总是扑面而来的原因。2)只考虑水质点的自身重力作用而没有考虑水的表面张力等因素影响的水波常称为重力波。如果考虑水的表面张力影响，那么深水中的水波速度即(10)式可改写为 22gv=+(25)其中，为水的表面张力系数，为水的密度。3)在深海中，若由于风力等作用先后产生波长不同的几列水波，且后波的波长大于前波的波长，如图 8 所示。根据(10)式，由于后波速度大于前波速度，即图中321vvv，因此几列波将可能会同时到达同一位置，因而叠加形成大浪或巨浪。2LA AAA B B BB2v1v1LFE黄绍书，王金霞 DOI:10.12677/mp.2024.142006 55 现代物理 Figure 8.Several columns of water waves with different wavelengths in the deep sea 图图 8.深海中几列波长不同的水波 基金项目基金项目 2022 年教育部高等学校大学物理课程教学指导委员会大中物理教育衔接工作委员会教学研究课题“三新背景下县域普通高中物理实验教学策略研究”(立项编号：WX202242)部分研究成果。参考文献参考文献 1 彭前程,黄恕伯.普通高中教科书物理选择性必修第一册M.北京:人民教育出版社,2020:66-67.2 束炳如,何润伟.普通高中教科书物理选择性必修第一册M.上海:上海科技教育出版社,2019:61-62.3 蒋最敏,高景.普通高中教科书物理选择性必修第一册M.上海:上海科学技术出版社,2021:55-56.4 高二物理水波的反射和折射 ppt 课件EB/OL.https:/ 高二物理水波的反射和折射EB/OL.https:/ 水波折射教学视频EB/OL.https:/ 水波的反射和折射EB/OL.https:/ 廖光洪.物理海洋学M.北京:海洋出版社,2022:259-273,288-293.