大学物理复习资料机械波的产生和传播.pptx

本章教学内容：本章教学内容：17.1机械波的产生和传播机械波的产生和传播17.2平面简谐波的波动方程平面简谐波的波动方程 17.3波的能量波的能量17.4波的衍射干涉波的衍射干涉17.5驻波驻波17.*多普勒效应多普勒效应重点：重点：重点：重点：平面简谐波的波函数；平面简谐波的波函数；波的相干条件；波的相干条件；两波干涉时振幅加强和减弱的条件。两波干涉时振幅加强和减弱的条件。难点：难点：难点：难点：建立平面简谐波方程的方法；建立平面简谐波方程的方法；相干叠加振幅加强或减弱的条件；相干叠加振幅加强或减弱的条件；驻波的表达式，驻波的表达式，驻波中各质元的驻波中各质元的相位相位关系。关系。教学基本要求教学基本要求 一一 掌握掌握描述简谐波的各物理量及各量间的描述简谐波的各物理量及各量间的关系；关系；二二 理解理解机械波产生的条件。掌握由已知质机械波产生的条件。掌握由已知质点的简谐运动方程得出平面简谐波的波函数的方点的简谐运动方程得出平面简谐波的波函数的方法。理解波函数的物理意义。了解波的能量传播法。理解波函数的物理意义。了解波的能量传播特征及能流、能流密度概念。特征及能流、能流密度概念。教学基本要求教学基本要求 三三 了解了解惠更斯原理和波的叠加原理。理解惠更斯原理和波的叠加原理。理解波的相干条件，能应用相位差和波程差分析、确波的相干条件，能应用相位差和波程差分析、确定相干波叠加后振幅加强和减弱的条件；定相干波叠加后振幅加强和减弱的条件；四四 理解理解驻波及其形成，了解驻波和行波的驻波及其形成，了解驻波和行波的区别；区别；五五 了解了解机械波的多普勒效应及其产生的原机械波的多普勒效应及其产生的原因。在波源或观察者沿二者连线运动的情况下，因。在波源或观察者沿二者连线运动的情况下，能计算多普勒频移。能计算多普勒频移。17.1 机械波的产生和传播机械波的产生和传播波源波源介质介质+弹性作用弹性作用机机械械波波一、机械波的形成一、机械波的形成1、产生条件：、产生条件：1）波源；波源；2）弹性介质。弹性介质。波是运动状态的传播，波是运动状态的传播，是能量的是能量的传播，传播，介质的质点并不随波传播。介质的质点并不随波传播。注意注意机械波：机械波：机械振动在弹性介质中的传播。机械振动在弹性介质中的传播。弹性介质弹性介质是能够传播机械振动的介质，是由是能够传播机械振动的介质，是由弹性力弹性力作用的连续介质。作用的连续介质。弹性介质中一个质元的振动，由于弹性介质中一个质元的振动，由于弹性力的弹性力的作用将引起邻近质元的振动，作用将引起邻近质元的振动，振动相继传播到后振动相继传播到后面各相邻质点。于是振动由近及远、由此及彼地面各相邻质点。于是振动由近及远、由此及彼地传播开去，从而形成机械波。传播开去，从而形成机械波。比如，比如，气体、液体或固体。气体、液体或固体。横波：横波：质点振动方向与波的传播方向相质点振动方向与波的传播方向相垂直垂直的波。的波。（仅在固体中传播仅在固体中传播，如绳波。如绳波。）2、横波与纵波、横波与纵波 特征：特征：具有交替出现的波峰和波谷。具有交替出现的波峰和波谷。纵波：纵波：质点振动方向与波的传播方向互相质点振动方向与波的传播方向互相平行平行的波。的波。（可在固体、液体和气体中传播。（可在固体、液体和气体中传播。如声波，弹簧波。如声波，弹簧波。）特征：特征：波形具有交替出现的密部和疏部。波形具有交替出现的密部和疏部。一般的波，如水波、地表波等，都能分解为横波一般的波，如水波、地表波等，都能分解为横波与纵波来进行研究。与纵波来进行研究。振动可以在弹性介质中传播，是因为介质有振动可以在弹性介质中传播，是因为介质有弹性的相互作用，弹性的相互作用，相互作用的形式不同，形成的相互作用的形式不同，形成的波也不同。波也不同。如果介质有如果介质有切变弹性切变弹性，它就能传播，它就能传播横波横波；如；如果介质有果介质有容变（体变）弹性容变（体变）弹性，它就能传播，它就能传播纵波。纵波。比如，比如，只有固体能产生切变，所以横波只能在只有固体能产生切变，所以横波只能在固体中传播；而固体、液体和气体都可以产生容变固体中传播；而固体、液体和气体都可以产生容变（体变），所以纵波可以在所有的物质中传播。（体变），所以纵波可以在所有的物质中传播。在机械波中，在机械波中，横波横波只能在只能在固体固体中出现；中出现；纵波纵波可在可在气体、液体和固体气体、液体和固体中出现。中出现。例外：例外：例外：例外：绳上波、水波是在绳上波、水波是在张力张力的作用下形成的。的作用下形成的。*物体的弹性形变物体的弹性形变物体的弹性形变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。全恢复原状的形变。长变长变称为应变或胁变称为应变或胁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 切变切变相对面发生相对滑移相对面发生相对滑移切变的应变或胁变切变的应变或胁变Y 称为称为杨氏模量杨氏模量杨氏模量杨氏模量在弹性限度范围内，应力与应变成正比在弹性限度范围内，应力与应变成正比 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压强的改变与容变应变的大小成正比。变的大小成正比。容变的应变容变的应变如果波动中使介质各部分振动的回复力是如果波动中使介质各部分振动的回复力是弹性力，则称为弹性力，则称为弹性波弹性波弹性波弹性波。弹性力：弹性力：弹性力：弹性力：有正弹性力（压、张弹性力）和切弹有正弹性力（压、张弹性力）和切弹性力；液体和气体弹性介质中只有正弹性力而性力；液体和气体弹性介质中只有正弹性力而没有切弹性力。没有切弹性力。横波横波在介质中传播时，介质中产生在介质中传播时，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。纵波纵波在介质中传播时，介质中产生在介质中传播时，介质中产生容变容变，能，能在在固体、液体、气体固体、液体、气体中传播。中传播。2）波波动动是是振振动动状状态态的的传传播播或或是是位位相相的的传传播播，表现为波形的向前推进。表现为波形的向前推进。4）沿波的传播方向，各质元的位相依次落后。沿波的传播方向，各质元的位相依次落后。波动过程的特征：波动过程的特征：波动过程的特征：波动过程的特征：1）各质元各质元只在各自的平衡位置附近振动，本只在各自的平衡位置附近振动，本身并身并不随波前进不随波前进。后开始振动的质元比先开始振动的质元，后开始振动的质元比先开始振动的质元，在在步调上要落后一段时间，即有相位的落后。步调上要落后一段时间，即有相位的落后。3）各各质质元元振振动动周周期期与与波波源源的的振振动动周周期期相相同同，与介质无关。与介质无关。3、波的几何描述、波的几何描述（波线（波线 波面波面 波前）波前）波波 前前波波 面面波波 线线波面或同相面波面或同相面 振动相位相同的点连成的面。振动相位相同的点连成的面。波前或波阵面波前或波阵面 最前面的波面。最前面的波面。平面波平面波（波面为平面的波）（波面为平面的波）球面波球面波（波面为球面的波）（波面为球面的波）波线（波射线）波线（波射线）波的传播方向。波的传播方向。在各向同性媒质中，波线恒与波面垂直。在各向同性媒质中，波线恒与波面垂直。波线波线 波面波面 波前波前*球球 面面 波波平平 面面 波波波前波前波面波面波线波线二、描述波动的物理量二、描述波动的物理量 （波长（波长 波的周期和频率波的周期和频率 波速）波速）2 波长波长 ：沿波的传播方向，两个相邻的、相：沿波的传播方向，两个相邻的、相位差为位差为 的振动质点之间的距离，即一个完整的振动质点之间的距离，即一个完整波形的长度。波形的长度。OyAA-波长描述了波在空间上的周期性。波长描述了波在空间上的周期性。2 周期周期 ：波前进一个波长的距离所需要：波前进一个波长的距离所需要的时间。的时间。2 频率频率 ：周期的倒数，即单位时间内波动：周期的倒数，即单位时间内波动所传播的完整波的数目。所传播的完整波的数目。每隔一个周期的时间，介质中各质点的振动每隔一个周期的时间，介质中各质点的振动状态（相位）就重复一次。状态（相位）就重复一次。周期描述了波在时间上的周期性。周期描述了波在时间上的周期性。波的周期（或频率）仅由波源决定，就等于波的周期（或频率）仅由波源决定，就等于波源振动的周期（或频率）。波源振动的周期（或频率）。2 波速波速 ：波动过程中，某一振动状态（即：波动过程中，某一振动状态（即振动相位）单位时间内所传播的距离（相速）。振动相位）单位时间内所传播的距离（相速）。注意注意周期或频率只决定于波源的振动周期或频率只决定于波源的振动周期或频率只决定于波源的振动周期或频率只决定于波源的振动!波速只决定于媒质的性质！波速只决定于媒质的性质！波速只决定于媒质的性质！波速只决定于媒质的性质！*波速波速 与介质的性质有关，与介质的性质有关，为介质的密度。为介质的密度。如声音的传播速度如声音的传播速度空气，常温空气，常温左右，左右，混凝土混凝土横横 波波固体固体纵纵 波波液、气体液、气体切变切变模量模量弹性弹性模量模量体积体积模量模量电磁波的传播不需要介质，且只有横波一种形式。电磁波的传播不需要介质，且只有横波一种形式。真空中真空中 按介质质点的运动方向与波动传播方向：按介质质点的运动方向与波动传播方向：横波和纵波横波和纵波 按波的波前：按波的波前：平面波、球面波、柱面波平面波、球面波、柱面波 按波动的传播：按波动的传播：行波和驻波行波和驻波 按波动的明显的物理性质：按波动的明显的物理性质：光波、声波、水波等光波、声波、水波等 按传播波动的质点的行为：按传播波动的质点的行为：脉冲波、周期波等。脉冲波、周期波等。*波动的分类：波动的分类：例：例：在室温下，已知空气中的声速在室温下，已知空气中的声速 为为340 m/s，水中的声速水中的声速 为为1450 m/s ，求：求：频率为频率为200 Hz的声的声波在空气中和水中的波长各为多少？波在空气中和水中的波长各为多少？声波在水中的波长声波在水中的波长:解：解：由由 ，声波在空气中的波长声波在空气中的波长: