機械波的產(chǎn)生和傳播

機械波的產(chǎn)生和傳播第1頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五振動狀態(tài)在空間的傳播形成波動，簡稱波。激發(fā)波動的振動系統(tǒng)稱為波源。

機械振動在彈性介質(zhì)中的傳播稱為機械波：

周期性變化的電磁場在空間的傳播稱為電磁波，它包括：來自太陽的光輻射、熱輻射、各種波段的無線電波、x射線、γ射線等等。可見，“波”是連接人體感官和周圍環(huán)境的橋梁。水面的漣猗、構(gòu)成一切音響的聲波，都是機械波。人類就生活在這各種各樣波的“海洋”之中11.1波的基本概念一、波是振動狀態(tài)的傳遞第2頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五當(dāng)波在介質(zhì)中傳播時，介質(zhì)中的質(zhì)元并不隨波逐流，它們僅在平衡位置附近振動。波是與振動密切關(guān)聯(lián)的。例如由南太平洋風(fēng)暴在海面產(chǎn)生的長波，以每小時60km或更高的速度傳來（比風(fēng)速更快，因而有經(jīng)驗的漁民根據(jù)長波的出現(xiàn)判斷風(fēng)暴將至，趕快尋找避風(fēng)港）。但這并不意味著海洋本身以如此壯觀的方式整體移動過來！潮汐與此不同，它是海洋整體運動形成的。第3頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五傳播開去的只是振動狀態(tài)。這就是波的職能。

在波動過程中，水分子并沒有向遠處移動。因此當(dāng)我們描寫與波相聯(lián)系的運動時，必須區(qū)分出運動的兩個方面:a.波在介質(zhì)中的傳播；b.介質(zhì)中粒子的運動。第4頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五二、波動的特征波動具有一定的傳播速度，并伴隨著能量的輸運?？扇胄灾冈诳臻g同一區(qū)域可同時經(jīng)歷兩個或兩個以上的波，因而波可以疊加。干涉和衍射是波所特有的現(xiàn)象，觀察干涉、衍射現(xiàn)象是鑒別波動過程最有力的手段。波動具有可入性和可疊加性。固定空間一點來看，此處的振動具有時間周期性；而固定一個時刻來看，空間各點的振動分布又具有空間周期性。波動具有時間和空間周期性。第5頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五三、多種多樣的波按物理性質(zhì)分：機械波、電磁波、物質(zhì)波等。對機械波按頻率分：次聲波、聲波、超聲波根據(jù)次聲波能量可測出爆炸的當(dāng)量級。次聲波可在地表傳播很遠距離。次聲武器。一般只傷害人員，不會造成環(huán)境污染地震、火山爆發(fā)、核爆炸等都會產(chǎn)生強烈次聲波。次聲波頻率低于20Hz的聲波，傳播遠，穿透力強第6頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五超聲波無損檢測探頭工件TBTB探頭工件TBTB缺陷超聲波的特點是頻率高、波長短，衍射不嚴(yán)重，因而具有良好的定向傳播特性。其穿透本領(lǐng)很強。第7頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五

胎兒的超聲波影象第8頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五

聲納第9頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五第10頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五質(zhì)元振動方向與波的傳播方向相互垂直的波橫波:按波的傳播方向和振動方向間的關(guān)系分：第11頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五縱波：質(zhì)元振動方向與波傳播方向相互平行的波空氣（或任何流體）中的聲波是一種縱波。有些波既有橫波分量同時也具有縱波分量?；旌喜ǎ豪缢娌?、地震波等第12頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五按照傳播的空間維數(shù)分：一維波（沿弦線）、二維波（表面波）和三維波；按波源擾動的方式分：脈沖波、持續(xù)波；按波傳播過程中波面形狀分：平面波、球面波、柱面波等。第13頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五盡管各種類型波的性質(zhì)不同，但它們有相似的波動微分方程和波函數(shù)，且都具有波動特有的現(xiàn)象，如折射、反射、干涉和衍射等。量子論揭示，波動不僅存在于宏觀世界，甚至于單個的電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子，它們也具有波的性質(zhì)，稱之為物質(zhì)波。不過，物質(zhì)波與宏觀世界中的波有完全不同的本質(zhì)。第14頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五四、波場、波線和波面波場—波傳播的空間區(qū)域波陣面—波場中某時刻振動相位相同的點構(gòu)成的曲面波前—某時刻波源最初的振動狀態(tài)傳到的波面波線（波射線）—代表波傳播方向的射線各向同性均勻介質(zhì)中，波線恒與波面垂直。沿波線方向各質(zhì)點的振動相位依次落后。第15頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五波線波面波面波線平面波球面波波面波線波線波面第16頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五在均勻、無吸收的介質(zhì)中，當(dāng)波源作簡諧振動時形成的波即為簡諧波。簡諧波是一種最簡單、最基本的波，任何復(fù)雜的波都可以看成若干個簡諧波疊加而成。簡諧波是一種理想化的模型。嚴(yán)格的簡諧波是無法實現(xiàn)的。平面簡諧波：波陣面是平面的簡諧波球面簡諧波：波陣面是球面。五、簡諧波(simpleharmonicwave)第17頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五在宏觀上，可將氣體、液體或固體當(dāng)作連續(xù)體，其體內(nèi)各個相鄰的質(zhì)元間以彈性力維系著。形成機械波要具備兩個條件：波源、彈性介質(zhì)。光波（電磁波）可以在真空中傳播。一、機械波產(chǎn)生的條件11-2機械波的產(chǎn)生和傳播當(dāng)任一質(zhì)元在外界作用下偏離平衡位置時，鄰近質(zhì)元對其作用的彈性回復(fù)力就會使它發(fā)生振動；同時這些鄰近質(zhì)元又受到該質(zhì)元及其它鄰近質(zhì)元的彈性力作用，也會振動起來。第18頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五于是振動相互耦合，由近及遠、由此及彼地傳播開去，形成機械波。機械波向外傳播的是波源（及各質(zhì)點）的振動狀態(tài)和能量。第19頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五波動是振動狀態(tài)的傳遞，擔(dān)負(fù)機械振動狀態(tài)傳遞職能的是彈性介質(zhì)，即彈性體。楊氏模量Y

切變模量G

容變模量B

Y、G、B都由介質(zhì)本身的性質(zhì)決定，一般由實驗測定。描述彈性性質(zhì)的物理量是彈性模量。二、彈性介質(zhì)第20頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五*物體的彈性形變物體在一定限度的外力作用下形狀和體積發(fā)生改變，當(dāng)外力撤去后，物體的形狀和體積能完全恢復(fù)原狀的形變。①長變稱為應(yīng)變或脅變第21頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五在彈性限度范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比②

切變相對面發(fā)生相對滑移–切變的應(yīng)變或脅變Y稱為楊氏模量第22頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五在彈性限度范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比③

容變在彈性限度范圍內(nèi)，壓強的改變與容變應(yīng)變的大小成正比。容變的應(yīng)變第23頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五如果波動中使介質(zhì)各部分振動的回復(fù)力是彈性力，則稱為彈性波。彈性力：正彈性力(壓、張彈性力)切彈性力；由于液體和氣體彈性介質(zhì)中不會發(fā)生切變，因而沒有切彈性力，所以橫波不能在液體或氣體中傳播。而固體介質(zhì)則能發(fā)生切變，產(chǎn)生切彈性力，所以橫波可以在固體介質(zhì)中傳播。彈性介質(zhì)都可產(chǎn)生容變，所以縱波可以在固體、液體、氣體中傳播。第24頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五探測地球內(nèi)部的構(gòu)造，最重要的方法是利用地震波（當(dāng)代最深的鉆孔也只有10km的量級）。在短暫的作用下，地球介質(zhì)可以看成彈性體。當(dāng)?shù)貎?nèi)發(fā)生任何擾動時，例如地震或人工爆破，一部分能量以彈性波的形式傳播出去。人工地震波探測地球內(nèi)部的構(gòu)造P波、S波P波震源表面波地幔內(nèi)核在2900km的深度上，地震波的縱波（P波）速度陡然下降；橫波（S波）消失。第25頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五以這個間斷為界2900km以上叫地幔，2900km以下叫地核。第26頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五大約在5000km之下，又有了一個可以傳播S波的故態(tài)內(nèi)核，這是較晚才得到的新認(rèn)識。在地核的邊界上，可以產(chǎn)生P波和S波的反射，但只有P波可以繼續(xù)向地核內(nèi)部折射。這表明：地核內(nèi)部處于液態(tài)第27頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五三、描述波傳播的幾個物理量波速振動狀態(tài)在媒質(zhì)中傳播的速度，用u或c表示。（或波陣面在單位時間中越過的距離）由于振動狀態(tài)由相位描述，所以波速可以說是相位在介質(zhì)中的傳播速度，因此又稱為相速度。切記不要把波速與質(zhì)點的振動速度混淆起來！順著波傳播的方向看過去，介質(zhì)質(zhì)元的相位依次滯后。這就反映了振動的傳播需要時間。第28頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五(固體)(液體、氣體)(弦線上的波速)波速僅取決于介質(zhì)性質(zhì)──彈性性質(zhì)、慣性性質(zhì)(固體)T為弦中張力，為弦的線密度第29頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五波長沿波傳播方向兩相鄰?fù)噘|(zhì)點之間的距離。波長可形象地想象為一個完整的“波”的長度；—λ橫波波長：相鄰兩個波峰或波谷之間的距離縱波波長：相鄰兩個密部或疏部之間的距離xyoλ第30頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五周期反映了波的時間周期性，即每經(jīng)過一個周期，媒質(zhì)中各點的振動狀態(tài)重復(fù)一次。周期一個完整波通過波線上某點所需的時間，用T表示。（或波傳播的λ距離所用的時間）波在單位時間傳播的距離內(nèi)所包含的完整波的數(shù)目。頻率

波長反映了波的空間周期性，即每經(jīng)過一個波長，媒質(zhì)中各點的振動狀態(tài)重復(fù)一次。第31頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五波長、周期、波速三個物理量之間的關(guān)系：表示2π長度上完整波的數(shù)目，稱為角波數(shù)?！獑挝婚L度內(nèi)完整的波的數(shù)目稱為波數(shù)介質(zhì)決定波源決定第32頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五在室溫下，已知空氣中的聲速為u1=340m/s，水中的聲速為u2=1450m/s，求頻率為200Hz的聲波在空氣和水中的波長。解：例題1：由得空氣中水中波速決定于介質(zhì)，頻率決定與振源，所以同一波源發(fā)出的一定頻率的波在不同介質(zhì)中傳播時，頻率不變，但波速不同，因而波長也不同。第33頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五②在介質(zhì)的界面兩側(cè)，波速和波長突變；注意這個關(guān)系式的運用條件：①波源和接收器都相對介質(zhì)靜止；③在彈性介質(zhì)中，彈性