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时间:2017-11-12
《高中物理竞赛教材55《机械波》》由会员上传分享,免费在线阅读,更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、高考资源网(ks5u.com)您身边的高考专家§5.5机械波5.5.1、机械波机械振动在介质中的传播形成机械波,波传递的是振动和能量,而介质本身并不迁移。自然界存在两种简单的波:质点振动方向与波的传播方向垂直时,称为横波;与传播方向一致时,叫纵波,具有切变弹性的介质能传播横波;具有体变弹性的介质可传播纵波,固体液体中可以同时有横波和纵波,而在气体中一般就只有纵波存在了。在波动中,波上相邻两个同相位质点间的距离,叫做一个波长,也就是质点作一个全振动时,振动传播的距离。由于波上任一个质点都在做受迫振动,因此它们的振动频率都与振源的振动频率相等,也就是波的频率,在波动中,波长、频率与
2、传播速度之间满足(1)注意:波速不同于振动质点的运动速度,波速与传播介质的密度及弹性性质有关。5.5.2、波动方程图5-5-1如图5-5-1所示,一列横波以速度沿轴正方向传播,设波源O点的振动方程为:在轴上任意点P的振动比O点滞后时间,即当O点相位为时,P点的相位为-10-www.ks5u.com版权所有@高考资源网高考资源网(ks5u.com)您身边的高考专家,由,,,P点振动方程为这就是波动方程,它可以描述平面简谐波的传播方向上任意点的振动规律。当波向轴负方向传播时,(2)式只需改变的正负号。由波动方程,可以(1)求某定点处的运动规律将代入式(6-14),得其中为质点作简谐
3、振动的初相位。(2)求两点与的相位差将代入(2)式,得两点、的相位差若为整数),则,则该两点同相,它们的位移和速度都相同。若为整数),则,则该两点相位相反,它们的位移和速度大小相同,速度方向刚好相反。球面波的波动方程与平面波相比,略有不同,对于球面波,其振幅随传播距离的增加而衰减,设离波源距离为处的振幅为,离波源距离为处的振幅为-10-www.ks5u.com版权所有@高考资源网高考资源网(ks5u.com)您身边的高考专家。则有即振幅与传播的距离成反比球面简谐波的方程为式中A是与波源的距离为一个单位长度处的振幅。3、波的叠加和干涉当空间存在两个(或两个以上)振源发出的波时,空
4、间任一点的扰动是各个波在该点产生的扰动的矢量和,这叫做波的叠加原理。当有频率相同、振动方向相同的两列波在空间叠加时,会出现某些地方振动增强,某些地方振动减弱的现象,叫做波的干涉,这样的两列波叫相干波。设有两列相干波自振源、发出,两振源的位相相同,空间任一点P至的距离为,至的距离为(图5-5-2),则两列波在P点产生的振动的相位差为{图5-5-2当为整数),即当波程差时,P点的合振动加强;当,即当波程差时,P点的合振动减弱,可见P点振动的强弱由波程差决定,是P点位置的函数。图5-5-3-10-www.ks5u.com版权所有@高考资源网高考资源网(ks5u.com)您身边的高考专
5、家总之,当某一点距离两同位相波源的波程差等于零或者是波长的整数倍时,该点振动的合振幅最大,即其振动总是加强的;当某一点距离两同位波源的波程差等于半波长或半波长的奇数倍时,该点振动的合振幅最小,即其振动总是削弱的。4、波的反射、折射和衍射当波在传播过程中遇到的两种介质的交界面时,一部分返回原介质中,称为反射波;另一部分将透入第二种介质继图5-5-4续传播,称为折射波,入射波的传播方向与交界面的法线成角,(叫入射角),反射波的传播方向与交界面的法线成角(叫反射角)。折射波的传播方向与法线成角(叫折射角),如图5-5-3,则有式中为波在入射介质中的传播速度,为波在折射介质中的传播速度
6、,(1)式称为波的反射定律,(2)式称为波的折射定律。弦上的波在线密度不同的两种弦的连结点处要发生反射,反射的波形有所不同。设弦上有一向上脉冲波,如图5-5-4,传到自由端以后反射,自由端可看成新的振源,振动得以继续延续下去,故反身波仍为向上的脉冲波,只是波形左右颠倒。当弦上有向上脉冲波经固定端反射时,固定端也可看成新的“振图5-5-5源”-10-www.ks5u.com版权所有@高考资源网高考资源网(ks5u.com)您身边的高考专家,由牛顿第三定律,固定端对弦的作用力方向与原脉冲对固定端的作用力方向相反,故反射脉冲向下,即波形不仅左、右颠倒,上、下也颠倒,这时反射波可看成入
7、射波反向延伸的负值(如图5-5-5),将周期波看成一系列连续脉冲,周期波经自由端或固定端的反射也可由此得出。波在传播过程中遇到障碍物时,偏离原来的传播方向,传到障碍物“阴影”区域的现象叫波的衍射。当障碍物或孔的尺寸比波长小,或者跟波长相差不多时,衍射现象比较明显;当障碍物或孔的尺寸比波长大的时候,衍射现象仍然存在,只是发生衍射的部分跟直进部分相比,范围较小,强度很弱,不够明显而已。此外,在障碍物或小孔尺寸一定的情况下,波长越长,衍射现象越明显。5.6.5、驻波驻波是频率相同、振幅相同、振动方
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