1、大 学 物 理机械波本章导读3振动在空间的传播过程称为波动。波动通常可分为两大类：机械波和电磁波。此外，近代物理研究还表明，电子、质子等微观粒子也具有波动性，这种波称为物质波。虽然各类波动的本质不同，但它们却有着共同的波动特征和规律。本章将以机械波为主，介绍波动的特征及基本规律。5.1 机械波的产生与传播5.1.1 机械波的产生条件当弹性介质中的一部分发生振动时，由于各部分之间的弹性相互作用，振动就由近及远地传播出去，形成了波动。机械波的产生必须具备以下两个条件：要有引起振动的初始振动物体，即波源。没有波源，无法引起介质中质点的振动。要有能够传播这种机械振动的弹性介质。没有弹性介质，则机械振动
2、无法向外传播。5.1.2 横波与纵波按质点的振动方向与波的传播方向间的关系不同，机械波可分为横波和纵波两类，这是波动的两种最基本形式。1.横波：质点的振动方向与波的传播方向相垂直的波。2.纵波：质点的振动方向与波的传播方向平行的波。5.1 机械波的产生与传播5.1.2 横波与纵波1.横波：质点的振动方向与波的传播方向相垂直的波。2.纵波：质点的振动方向与波的传播方向平行的波。5.1 机械波的产生与传播5.1.3 波的几何描述1波线波向各个方向传播时，沿波的传播方向画出的一些带有箭头的线称为波线。2波面和波前介质中的各质点都在其平衡位置附近振动，我们把振动相位相同的各点所连成的面称为波面或同相面
3、。在任一时刻，波面都可以有任意多个。在某一时刻，由波源最初振动状态传播到的各点所连成的面称为波前或波阵面。5.1 机械波的产生与传播5.1.3 波的几何描述波前是最前面的波面，一列波只有一个波前。波面是平面的波称为平面波；波面是球面的波称为球面波。5.1 机械波的产生与传播5.1.4 描述波动的物理量2波的周期与频率，5.1 机械波的产生与传播5.1.3 波的几何描述3波速5.1 机械波的产生与传播当波源做简谐振动时，波所经历的所有质点都按余弦（或正弦）规律振动，此时所形成的波称为简谐波。若波面为平面，则此简谐波称为平面简谐波。5.2.1 平面简谐波的波动方程，5.2 平面简谐波及其描述5.2
4、.2 波动方程的物理意义，5.2 平面简谐波及其描述5.2.2 波动方程的物理意义，5.2 平面简谐波及其描述5.2.2 波动方程的物理意义，5.2 平面简谐波及其描述5.2.2 波动方程的物理意义，5.2 平面简谐波及其描述例题讲解 1，5.2 平面简谐波及其描述例题讲解 1，5.2 平面简谐波及其描述例题讲解 1，5.2 平面简谐波及其描述例题讲解 1，5.2 平面简谐波及其描述波的能量具有以下特点。（1）波动过程中，任一时刻任一质点的动能和势能相等，它们同时达到最大值，同时为零。这与简谐振动的动能和势能情况不同。（2）在给定时刻t，各质点的总能量随质点的位置x在介质内呈周期性分布；对某一
5、确定位置的质点，其总能量随时间呈周期性变化。（3）波的平均能量密度与介质的密度、频率的平方和振幅的平方都成正比。，5.3.1 波的能量5.3 波的能量，5.3.2 能流密度5.3 波的能量，5.3.2 能流密度5.3 波的能量水面波传播时，遇到一个障碍物AB板，板上开一小孔。当小孔的大小与波长差不多时，穿过小孔后，在右方出现的都是以小孔为圆心的圆形波。这说明，小孔可看作是新的波源，它所发射出去的波称为子波。，5.4.1 惠更斯原理5.4 波的衍射和干涉惠更斯原理：介质中波动传播到的各点，都可看作是发射子波的波源，在其后的任意时刻，这些子波的包络就是新的波前。，5.4.1 惠更斯原理5.4 波的
6、衍射和干涉，5.4.1 惠更斯原理5.4 波的衍射和干涉，5.4.2 波的衍射波在传播过程中遇到障碍物时，能够绕过障碍物的边缘继续传播的现象称为波的衍射。5.4 波的衍射和干涉，5.4.3 波的叠加原理4振幅与初相的确定5.4 波的衍射和干涉我们可以发现以下规律。波传播的独立性 波的叠加原理几列波在同一介质中传播并相遇后，仍然能保持它们原有的特征（频率、波长、振幅、振动方向等）不变，并按照自己原来的方向继续前进。在相遇区域内，任一点的振动位移都等于各列波单独存在时在该点引起的振动位移的矢量和。5.4.4 波的干涉，5.4 波的衍射和干涉相干波：振动方向、频率及相位等都不同的几列波在相遇区域叠加
7、。相干波源：能发出相干波的波源。波的干涉：两列相干波在空间相遇时，某些点处振动始终加强，而另一些点处，振动始终减弱或完全抵消。，5.4.4 波的干涉5.4 波的衍射和干涉，5.4.4 波的干涉5.4 波的衍射和干涉，5.4.4 波的干涉5.4 波的衍射和干涉，例题讲解 35.4 波的衍射和干涉，例题讲解 35.4 波的衍射和干涉，例题讲解 45.4 波的衍射和干涉，5.5.1 驻波的产生5.5 驻 波驻波：在任一时刻，弦线都有一定的波形，但此波既不左移，也不右移。，5.5.1 驻波的产生5.5 驻 波在图中，两列振幅相同的相干波，一列沿x轴正向传播，用虚线表示；一列沿x轴负向传播，用短划线表示
8、。5.5.2 驻波方程，5.5 驻 波5.5.2 驻波方程，5.5 驻 波波密介质：u值较大的介质，波疏介质：u值较小的介质。波从波疏介质垂直入射到波密介质，并被反射回波疏介质时，在反射处形成波节；反之，在反射处形成波腹。半波损失：在两种介质的分界面上形成波节时，说明入射波与反射波在此处的相位相反，即反射波在分界处的相位较入射波跃变了，相当于出现了半个波长的波程差。，5.5.3 半波损失5.5 驻 波，5.5.4 驻波的能量在弦线上形成驻波时，动能和势能不断互相转化，形成了能量交替地由波腹附近转向波节附近，再由波节附近转向波腹附近的情形，这说明驻波的能量没有作定向地传播。驻波不传播能量，这是驻
9、波和行波的重要区别。5.5 驻 波5.6 多普勒效应，多普勒效应：当两者相互接近时，观察者接收到的频率变高；当两者相互分离时，观察者接收到的频率变低。，5.6 多普勒效应，5.6 多普勒效应，5.6 多普勒效应本章小结1机械波的产生与传播，（1）机械波的产生必须具备两个条件：要有引起振动的初始振动物体，即波源；要有能够传播这种机械振动的弹性介质。（2）横波是指质点的振动方向与波的传播方向相垂直的波；纵波是指质点的振动方向与波的传播方向平行的波。（3）波在空间中的传播情况可以用波线、波面和波前来描述。（4）描述波动特征的物理量主要有波长、波的周期（频率）和波速。本章小结2平面简谐波的波动方程及其
10、物理意义，本章小结3波的能量与能流密度，本章小结4惠更斯原理与波的衍射，（1）介质中波动传播到的各点，都可看作是发射子波的波源，在其后的任意时刻，这些子波的包络就是新的波前。这就是惠更斯原理。（2）波在传播过程中遇到障碍物时，能够绕过障碍物的边缘继续传播的现象称为波的衍射。本章小结5波的叠加原理与波的干涉，（1）波的叠加原理的内容为：几列波在同一介质中传播并相遇后，仍然保持它们原有的特征不变，并按照自己原来的方向继续前进，如同没有遇到其他波一样，这称为波传播的独立性；在相遇区域内，任一点的振动位移都等于各列波单独存在时在该点引起的振动位移的矢量和。（2）两列相干波在空间相遇时，某些点处振动始终加强，而另一些点处，振动始终减弱或完全抵消，这种现象称为波的干涉。本章小结6驻波，本章小结7多普勒效应，Thanks大学物理
