2017-07-24 16:23:23

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机械振动在介质中的传播称为机械波(mechanical wave)。机械波与电磁波既有相似之处又有不同之处,机械波由机械振动产生,电磁波由电磁振荡产生;机械波的传播需要特定的介质,在不同介质中的传播速度也不同,在真空中根本不能传播,而电磁波(例如光波)可以在真空中传播;机械波可以是横波和纵波,但电磁波只能是横波;机械波与电磁波的许多物理性质,如:折射、反射等是一致的,描述它们的物理量也是相同的。常见的机械波有:水波、声波、地震波

基本信息

  • 中文名

    机械波

  • 外文名

    mechanical wave

  • 拼音

    jixiebo

  • 类别

    传播过程

折叠 编辑本段 基本定义

机械波:机械振动介质中的传播过程叫机械波。机械波机械波

折叠 编辑本段 产生条件

1.要有做机械振动的物体作为波源。

2.是要有能够传播机械振动的介质。

折叠 编辑本段 解释信息

1、机械振动在媒质中的传播称为机械波。产生机械波首先要有作机械振动的物体,亦即波源;其次要有能够传播这种机械振动的媒质,只有通过媒质质点间的相互作用,才可能把机械振动向外传播。例如,人发出的声波是机械波,声带是波源,空气是传播机械振动的媒质。

2、一类是由于纺纱机械上与牵伸有关的旋转部件的运转状态不正常而造成的周期性变异,称为机械波,在波谱图上表现为“烟筒”状突起,如果当PB>12时,则该机械波对织物外观影响较大。

3、称为机械波.这种波在波谱图上表现为某波长的波幅突然升高.机械波的峰高超过该波长的基本波谱高度的50%时,将对织物产生不良影响。

4、造成纱条粗细不匀呈规则变化,这种现象称为“机械波”.在波谱图上机械波的基本波形为许多凸起长条构成的平滑曲线,当某一波长处有偶发性高凸起时为有害机械波俗称“烟囱”。

5、音频检测基本原理:声学测量原理机械振动在介质中的传播过程称为机械波.声波是机械波的一种是在弹性介质中传播的纵波其频率在20~20000Hz范围内。

折叠 编辑本段 基本简介

常见的机械波有:水波、声波地震波

机械振动产生机械波,机械波的传递一定要有介质,有机械振动但不一定有机械波产生。

折叠 编辑本段 形成传播

折叠 形成条件

波源也称振源,指能够维持振动的传播,不间断的输入能量,并能发出波的物体或物体所在的初始位置。波源即是机械波形成的必要条件,也是电磁波形成的必要条件。

波源可以认为是第一个开始振动的质点,波源开始振动后,介质中的其他质点就以波源的频率做受迫振动,波源的频率等于波的频率。

广义的介质可以是包含一种物质的另一种物质。在机械波中,介质特指机械波借以传播的物质。仅有波源而没有介质时,机械波不会产生,例如,真空中的闹钟无法发出声音。机械波在介质中的传播速率是由介质本身的固有性质决定的。在不同介质中,波速是不同的。

下表给出了0℃时,声波在不同介质的传播速度,数据取自《普通高中课程标准实验教科书-物理(选修3-4)》(2005年)[1]。单位v/m·s^-1


传播方式与特点
介质空气玻璃松木软木橡胶
速度3321450380049005000~6000约3320430~53030~50

机械波在传播过程中,每一个质点都只做上下(左右)的简谐振动,即,质点本身并不随着机械波的传播而前进,例如:人的声带不会随着声波的传播而离开口腔。

为了说明机械波在传播时质点运动的特点,现以绳波(右图)为例进行介绍,其他形式的机械波同理。

绳波绳波是一种简单的横波,在日常生活中,我们拿起一根绳子的一端进行一次抖动,就可以看见一个波形在绳子上传播,如果连续不断地进行周期性上下抖动,就形成了绳波。

把绳分成许多小部分,每一小部分都看成一个质点,相邻两个质点间,有弹力的相互作用。第一个质点在外力作用下振动后,就会带动第二个质点振动,只是质点二的振动比前者落后。这样,前一个质点的振动带动后一个质点的振动,依次带动下去,振动也就发生区域向远处的传播,从而形成了绳波。如果在绳子上任取一点系上红布条,我们还可以发现,红布条只是在上下振动,并没有随波前进。

由此,我们可以发现,介质中的每个质点,在波传播时,都只做简谐振动(可以是上下,也可以是左右),机械波可以看成是一种运动形式的传播,质点本身不会沿着波的传播方向移动。

折叠 机械波传播的本质

在机械波传播的过程中,介质里本来相对静止的质点,随着机械波的传播而发生振动,这表明这些质点获得了能量,这个能量是从波源通过前面的质点依次传来的。所以,机械波传播的实质是能量的传播,这种能量可以很小,也可以很大,海洋的潮汐能甚至可以用来发电,这是维持机械波(水波)传播的能量转化成了电能。

折叠 惠更斯原理

惠更斯原理(Huygens principle),惠更斯原理用于解释球面波和平面波的传播,此外还可以解释波的反射、衍射的现象。

在总结许多实验的基础上,荷兰科学家惠更斯提出:介质中波阵面上每一个点(有无数个)都可以看成一个新的波源,这些新的波源发出的子波。经过一定时间后,这些子波的包络面就构成下一时刻的波面。

根据惠更斯原理,我们可以解释球面波的波面是怎样形成的,右上图中,点波源O发出的波在t时刻的波面是一个球面S,该球面上每一个点都可以看成一个新的点波源,它们各自向前发出球面子波,下一时刻(t △t)新的波面S',就是这些子波波面相切的包络面;平面波同理。

惠更斯原理的局限

①没有说明子波的强度分布问题;

②没有说明波为什么只能向前传播,而不向后传播的问题。

后来,菲涅耳对惠更斯原理作了重要的补充,形成惠更斯-菲涅耳原理,这些缺陷才被克服。

折叠 编辑本段 质点运动

机械波在传播过程中,每一个质点都只做上下(左右)的简谐振动,即,质点本身并不随着机械波的传播而前进,也就是说,机械波的一质点运动是沿一水平直线进行的。例如:人的声带不会随着声波的传播而离开口腔。简谐振动做等幅震动,理想状态下可看作做能量守恒的运动.阻尼振动为能量逐渐损失的运动.

为了说明机械波在传播时质点运动的特点,现已绳波(右下图)为例进行介绍,其他形式的机械波同理[1]。

绳波是一种简单的横波,在日常生活中,我们拿起一根绳子的一端进行一次抖动,就可以看见一个波形在绳子上传播,如果连续不断地进行周期性上下抖动,就形成了绳波[1]。

把绳分成许多小部分,每一小部分都看成一个质点,相邻两个质点间,有弹力的相互作用。第一个质点在外力作用下振动后,就会带动第二个质点振动,只是质点二的振动比前者落后。这样,前一个质点的振动带动后一个质点的振动,依次带动下去,振动也就发生区域向远处的传播,从而形成了绳波。如果在绳子上任取一点系上红布条,我们还可以发现,红布条只是在上下振动,并没有随波前进[1]。

由此,我们可以发现,介质中的每个质点,在波传播时,都只做简谐振动(可以是上下,也可以是左右),机械波可以看成是一种运动形式的传播,质点本身不会沿着波的传播方向移动。

对质点运动方向的判定有很多方法,比如对比前一个质点的运动;还可以用"上坡下,下坡上"进行判定,即沿着波的传播方向,向上远离平衡位置的质点向下运动,向下远离平衡位置的质点向上运动。

折叠 编辑本段 机械波动

机械振动在介质中的传播称为机械波。机械波与电磁波既有相似之处又有不同之处,机械波由机械振动产生,电磁波由电磁振荡产生;机械波的传播需要特定的介质,在不同介质中的传播速度也不同,在真空中根本不能传播,而电磁波,例如光波,可以在真空中传播;机械波可以是横波和纵波,但电磁波只能是横波;机械波与电磁波的许多物理性质,如:折射、反射等是一致的,描述它们的物理量也是相同的。常见的机械波有:水波、声波、地震波。

折叠 编辑本段 基本分类

折叠 横波与纵波

随着机械波的传播,介质中的质点振动起来。根据质点的振动方向和波传播的传播方向之间的关系,可以把机械波分为横波和纵波两类。

横波(transverse wave)

物理学中把质点的振动方向与波的传播方向垂直的波,称作横波。在横波中,凸起的最高处称为波峰,凹下的最低处称为波谷。

绳波是常见的横波。

纵波(longitudinal wave)

物理学中把质点的振动方向与波的传播方向在同一直线的波,称作纵波。质点在纵波传播时来回振动,其中质点分布最密集的地方称为密部,质点分布最稀疏的地方称为疏部。

声波是常见的纵波[1]。

折叠 编辑本段 描述信息

折叠 图像描述(波形曲线)

如果在绳子波动的某个时刻拍下照片,就能得到该时刻的波形。这个波形是由同一时刻具有不同位移的绳上各质点组成的。如果在波形上添加一个坐标系,就可以得到该时刻这个波的图像。用横坐标x表示沿波传播方向上各个质点的平衡位置,用纵坐标y表示各个质点离开平衡位置的大小,规定位移方向向上为正值。在坐标平面上,以某一时刻各个质点的x、y值描出各对应点,在用光滑的曲线连接起来,就得到该时刻波的图像,也称波形曲线或波形。在波的图像上,通常用箭头表示出波的传播方向。

波形曲线与振动图像有差别,振动图像是振动物体在不同时刻的位移,而波形曲线则是一个特定时刻所有质点的位移。

波形曲线上,我们可以读出同一时刻所有质点的位移、方向,以及波长、周期等物理量。

简谐波的波形曲线简谐波(simple harmonic wave)

如果介质中各个质点做简谐运动,它所形成的波就是一种最基本、最简单的波,称为简谐波,它的波形是正弦(或余弦)曲线。其他波可以看成是若干个简谐波合成的[1]。

折叠 物理量描述

描述机械波的物理量同样适用于电磁波,因此,这里“机械波”简称“波”

波长(wave length)

沿着波的传播方向,两个相邻的、相对平衡位置的位移和振动方向总是相同的质点间的距离称作波长,常用λ表示。在横波中,波长等于“波峰-波峰”的长度或“波谷-波谷”的长度;在纵波中,波长等于“密部-密部”或“疏部-疏部”的长度。

频率与周期

波上任意一个质点完成一次全振动所需时间称为周期,常用T表示;介质中的质点每秒完成全振动的次数叫做波的频率,常用f表示。频率是周期的倒数。

波速(wave speed)

波速为波长和频率的乘积(v=λf),表示波在介质中的传播速度。机械波在特定介质中的传播速度是固定的[1]。

折叠 编辑本段 物理性质

机械波的物理性质同样适用于电磁波,因此,这里“机械波”简称“波”。

波的折射(refraction of wave)

在物理学中,我们把波在传播过程中,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折射。

在波的折射中入射波的波线与法线的夹角称为入射角,用i表示;折射波的波线与法线的夹角叫做折射角,用r表示。

折射定律

进一步研究表明,波在发生折射时,入射角与折射角存在如下关系:

(sini)/(sinr)=v1/v2=λ1/λ2

v为波速;λ为波长

这一定律在光学中被称作斯涅耳定律。

波的反射(reflection of wave)

在物理学中,把波遇到障碍时反射回来继续传播的现象称为波的反射。

反射定律

反射波线、入射波线和法线在同一平面内,反射波线与入射波线分别位于法线两侧,入射角等于反射角。

波的干涉(interference of wave)

波的干涉频率相同的两列波叠加,使某些区域的振动加强,某些区域的振动减弱,而且振动加强的区域和振动减弱的区域相互隔开。这种现象叫做波的干涉。

产生干涉的一个必要条件是,两列波的频率必须相同或者有固定的相位差。如果两列波的频率不同或者两个波源没有固定的相位差(相差),相互叠加时波上各个质点的振幅是随时间而变化的,没有振动总是加强或减弱的区域,因而不能产生稳定的干涉现象,不能形成干涉图样。

两列波的相干条件是:

①频率相同

②振动方向相同

③相位相同或相位差恒定

波的叠加原理

波的叠加原理包含了两点:

①各波源所激发的波可以在同一介质中独立地传播,它们相遇后再分开,其传播情况(频率、波长、传播方向、周相等)与未遇时相同,互不干扰,就好像其他波不存在一样;

②在相遇区域里各点的振动是各个波在该点所引起的振动的矢量和。

波的衍射(diffraction of wave)

波的衍射衍射是波的特有现象,一切波都能发生衍射。

①波可以绕过障碍物继续传播,这种现象叫做波的衍射。

②观察到明显衍射的条件:只有缝、孔的宽度或障碍物的尺寸跟波长相差不多或者比波长更小时,才能观察到明显的衍射现象。

③相对于波长而言,障碍物的线度越大衍射现象越不明显,障碍物的线度越小衍射现象越明显。

多普勒效应 参见:多普勒效应

水波的多普勒效应多普勒效应是为纪念奥地利物理学家及数学家克里斯琴·约翰·多普勒(Christian Johann Doppler)而命名的,他于1842年首先提出了这一理论。多普勒认为,物体辐射的波长因为光源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面,波被压缩,波长变得较短,频率变得较高 (蓝移 (blue shift))。在运动的波源后面,产生相反的效应。波长变得较长,频率变得较低 (红移 (red shift))。波源的速度越高,所产生的效应越大。根据光波红/蓝移的程度,可以计算出波源循着观测方向运动的速度。恒星光谱线的位移显示恒星循着观测方向运动的速度。除非波源的速度非常接近光速,否则多普勒位移的程度一般都很小。所有波动现象 (包括光波) 都存在多普勒效应。[1]

参考资料

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