第23.1讲 机械波的产生和传播1

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1、机械波第十一章通过对具有直观性的机械波的研究，认识波动的基本规律。这对于研究其它形式的波是十分重要的。相位传播是波动的本质，波动的能量特征、波的叠加和驻波的特点都离不开相位和相位传播这个概念。振动状态在空间的传播形成波动，简称波。激发波动的振动系统称为波源。机械振动在弹性介质中的传播称为机械波：周期性变化的电磁场在空间的传播称为电磁波，它包括：来自太阳的光辐射、热辐射、各种波段的无线电波、x射线、γ射线等等。可见，“波”是连接人体感官和周围环境的桥梁。水面的涟猗、构成一切音响的声波，都是机械波。人类就生活在这各种各样波的“海洋”

2、之中11.1波的基本概念一、波是振动状态的传递当波在介质中传播时，介质中的质元并不随波逐流，它们仅在平衡位置附近振动。波是与振动密切关联的。例如由南太平洋风暴在海面产生的长波，以每小时60km或更高的速度传来（比风速更快，因而有经验的渔民根据长波的出现判断风暴将至，赶快寻找避风港）。但这并不意味着海洋本身以如此壮观的方式整体移动过来！潮汐与此不同，它是海洋整体运动形成的。传播开去的只是振动状态。这就是波的职能。在波动过程中，水分子并没有向远处移动。因此当我们描写与波相联系的运动时，必须区分出运动的两个方面:a.波在介质中的传播；

3、b.介质中粒子的运动。二、波动的特征波动具有一定的传播速度，并伴随着能量的输运。可入性指在空间同一区域可同时经历两个或两个以上的波，因而波可以叠加。干涉和衍射是波所特有的现象，观察干涉、衍射现象是鉴别波动过程最有力的手段。波动具有可入性和可叠加性。固定空间一点来看，此处的振动具有时间周期性；而固定一个时刻来看，空间各点的振动分布又具有空间周期性。波动具有时间和空间周期性。三、多种多样的波按物理性质分：机械波、电磁波、物质波等。对机械波按频率分：次声波、声波、超声波根据次声波能量可测出爆炸的当量级。次声波可在地表传播很远距离。次声

4、武器。一般只伤害人员，不会造成环境污染地震、火山爆发、核爆炸等都会产生强烈次声波。次声波频率低于20Hz的声波，传播远，穿透力强超声波无损检测探头工件TBTB探头工件TBTB缺陷超声波的特点是频率高、波长短，衍射不严重，因而具有良好的定向传播特性。其穿透本领很强。胎儿的超声波影象声纳质元振动方向与波的传播方向相互垂直的波横波:按波的传播方向和振动方向间的关系分：纵波：质元振动方向与波传播方向相互平行的波空气（或任何流体）中的声波是一种纵波。有些波既有横波分量同时也具有纵波分量。混合波：例如水面波、地震波等按照传播的空间维数分：一

5、维波（沿弦线）、二维波（表面波）和三维波；按波源扰动的方式分：脉冲波、持续波；按波传播过程中波面形状分：平面波、球面波、柱面波等。尽管各种类型波的性质不同，但它们有相似的波动微分方程和波函数，且都具有波动特有的现象，如折射、反射、干涉和衍射等。量子论揭示，波动不仅存在于宏观世界，甚至于单个的电子、质子、中子等微观粒子，它们也具有波的性质，称之为物质波。不过，物质波与宏观世界中的波有完全不同的本质。四、波场、波线和波面波场—波传播的空间区域波阵面—波场中某时刻振动相位相同的点构成的曲面波前—某时刻波源最初的振动状态传到的波面波线（

6、波射线）—代表波传播方向的射线各向同性均匀介质中，波线恒与波面垂直。沿波线方向各质点的振动相位依次落后。波线波面波面波线平面波球面波波面波线波线波面在均匀、无吸收的介质中，当波源作简谐振动时形成的波即为简谐波。简谐波是一种最简单、最基本的波，任何复杂的波都可以看成若干个简谐波叠加而成。简谐波是一种理想化的模型。严格的简谐波是无法实现的。平面简谐波：波阵面是平面的简谐波球面简谐波：波阵面是球面。五、简谐波(simpleharmonicwave)在宏观上，可将气体、液体或固体当作连续体，其体内各个相邻的质元间以弹性力维系着。形成机械

7、波要具备两个条件：波源、弹性介质。光波（电磁波）可以在真空中传播。一、机械波产生的条件11-2机械波的产生和传播当任一质元在外界作用下偏离平衡位置时，邻近质元对其作用的弹性回复力就会使它发生振动；同时这些邻近质元又受到该质元及其它邻近质元的弹性力作用，也会振动起来。于是振动相互耦合，由近及远、由此及彼地传播开去，形成机械波。机械波向外传播的是波源（及各质点）的振动状态和能量。波动是振动状态的传递，担负机械振动状态传递职能的是弹性介质，即弹性体。杨氏模量Y切变模量G容变模量BY、G、B都由介质本身的性质决定，一般由实验测定。描述弹

8、性性质的物理量是弹性模量。二、弹性介质*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。①长变称为应变或胁变在弹性限度范围内，应力与应变成正比②切变相对面发生相对滑移–切变的应变或胁变Y称为杨氏模量