大学物理第七章“机械波”复习笔记
一、机械波的产生与传播
1.机械波的产生
(1)条件:介质+振源
(2)分类:横波(固态介质中传播)+纵波(固液气中传播)
(3)易错点
- 波动过程中,各质点围绕平衡位置做简谐振动,质点不随波前进,是振动状态的传播
- 先振动的相位超过后震动的相位
- 波形曲线是波动过程中某时刻各质点离开平衡位置的真实拍照
(4)机械波的几何描述
①波面:相位相同的点连接成的平面称为波面(波阵面或者同相面)
②波线
③波前
(5)波动参量
①波长λ\lambdaλ:描写波在空间上的周期性
②波速uuu:只与介质,温度,横纵有关(与波源无关)
③周期T=1vT=\frac{1}{v}T=v1:波前进一个波长的距离所学要的时间
综上可知
λ=uT\lambda=uT\\ λ=uT
二、平面简谐波
1.平面简谐波的波动方程
(1)波面方程的建立:
波面上某点o的振动方程为:
y0=Acos(ωt+φ)y_0=Acos(\omega t+\varphi) y0=Acos(ωt+φ)
取o点为坐标原点
则P点的振动方程为:
yp=Acos(ω(t−Δt)+φ)=Acos(ω(t−xu)+φ)y_p=Acos(\omega{(t-\Delta{t})+\varphi})=Acos(\omega{(t-\frac{x}{u})+\varphi}) yp=Acos(ω(t−Δt)+φ)=Acos(ω(t−ux)+φ)
式中 xxx是代数量, x>0x>0x>0 P点振动比o 点落后 $\Delta t $
x<0x <0x<0 P点振动比 o点超前Δt\Delta tΔt
2.波动方程的物理意义
yp=Acos(ω(t−Δt)+φ)=Acos(ω(t−xu)+φ)求导即可得速度方程y_p=Acos(\omega{(t-\Delta{t})+\varphi})=Acos(\omega{(t-\frac{x}{u})+\varphi})\\ 求导即可得速度方程 yp=Acos(ω(t−Δt)+φ)=Acos(ω(t−ux)+φ)求导即可得速度方程
此方程为坐标为 x0x_0x0 的质点的振动方程
恒等式:
λΔx=TΔt=2πΔφ\frac{\lambda}{\Delta x}=\frac{T}{\Delta t}=\frac{2\pi}{\Delta \varphi} Δxλ=ΔtT=Δφ2π
三、波的能量
1.波的能量和能量密度
波函数:
y=Acos(ω(t−xu)t+φ0)y=Acos(\omega (t-\frac{x}{u})t+\varphi_0) y=Acos(ω(t−ux)t+φ0)
在绳子x处,取一段长为Δx\Delta xΔx的线元,绳子的线密度为μ\muμ,则此线元的质量Δm=μΔx\Delta m=\mu \Delta xΔm=μΔx
则线元的动能为
Ek=12Δmv2=12μΔx(∂y∂x)2=12μΔxA2ω2sin2(ω(t−xu)t+φ0)E_k=\frac{1}{2}\Delta mv^2=\frac{1}{2}\mu \Delta x(\frac {\partial y } {\partial x })^2=\frac{1}{2}\mu \Delta xA^2\omega^2sin^2(\omega (t-\frac{x}{u})t+\varphi_0) Ek=21Δmv2=21μΔx(∂x∂y)2=21μΔxA2ω2sin2(ω(t−ux)t+φ0)
线元会发生形变,有势能:
Ep=12μΔxA2ω2sin2(ω(t−xu)t+φ0)E_p=\frac{1}{2}\mu \Delta xA^2\omega^2sin^2(\omega (t-\frac{x}{u})t+\varphi_0) Ep=21μΔxA2ω2sin2(ω(t−ux)t+φ0)
所以总能量:
E=Ep+Ek=uΔxA2ω2sin2(ω(t−xu)t+φ0)E=E_p+E_k=u \Delta xA^2\omega^2sin^2(\omega (t-\frac{x}{u})t+\varphi_0) E=Ep+Ek=uΔxA2ω2sin2(ω(t−ux)t+φ0)
注意:
- 在振动过程中Ek,EpE_k,E_pEk,Ep随着t做相同的余弦函数变化,同向变化
- 最大位移处,动能和势能都为0
- 平衡位置处,动能和势能都为最大值
2.比较振动和波动的不同
- 振动
- 密闭系统,总能量不变,Ep和EkE_p和E_kEp和Ek相互转换,和始终为12kA2\frac{1}{2}kA^221kA2
- EkE_kEk最大时,EpE_pEp最小,反之一样
- 波动
- 开放系统,有能量的吸收和传递
- 能量是周期函数uΔxA2ω2sin2(ω(t−xu)t+φ0)u \Delta xA^2\omega^2sin^2(\omega (t-\frac{x}{u})t+\varphi_0)uΔxA2ω2sin2(ω(t−ux)t+φ0)
3.关于波的能量的几个名词
(1)能量密度
单位体积中波的能量
w=WΔV=ρA2ω2sin2(ω(t−xu)t+φ0)w=\frac{W}{\Delta V}=\rho A^2\omega^2sin^2(\omega (t-\frac{x}{u})t+\varphi_0) w=ΔVW=ρA2ω2sin2(ω(t−ux)t+φ0)
其中ρ\rhoρ为单位体积的质量
(2)平均能量密度
w′=12ρA2ω2w'=\frac{1}{2}\rho A^2\omega^2 w′=21ρA2ω2
可见I∝A2I∝A^2I∝A2具有普遍意义
(3)波的强度(平均能流密度)
I=uw′=12ρA2ω2uI=uw'=\frac{1}{2}\rho A^2\omega^2u I=uw′=21ρA2ω2u
4.平面波和球面波的振幅
-
平面波在均匀介质中传播,AAA不变
-
球面波在均匀介质中传播,A和传播的距离r成反比
A1r1=A2r2A_1r_1=A_2r_2 A1r1=A2r2
四、惠更斯原理
1.内容
- 行进中,波面上的任意一点可以看做新的子波源
- 所有子波源各自向外发出许多子波
- 各个子波形成的包络面,就是原波面在一定时间传播到的新波面
2.说明
- 解释了衍射,反射,折射
- 未涉及振幅相位变化规律
五、波的干涉
1.相干条件
同频率,同振向,恒定相位差
2.分析相干现象的原因
A=A12+A22+2A1A2cosΔφA=A_1^2+A_2^2+2A_1A_2cos\Delta \varphi A=A12+A22+2A1A2cosΔφ
上式中的A为合成振动的振幅,Δφ\Delta\varphiΔφ为两波的相位差,从而易知:
Δφ={2kπ(振动加强)(2k+1)π(振动减弱)\Delta\varphi=\begin{cases} 2k\pi(振动加强)\\ (2k+1)\pi(振动减弱)\\ \end{cases} Δφ={2kπ(振动加强)(2k+1)π(振动减弱)
并且,加强处永远加强,减弱处永远减弱
若φ1=φ2\varphi_1=\varphi_2φ1=φ2则上述相干条件化为
δ=r2−r1={±kλ,干涉加强,干涉相长{A=2A0I=4I0±(2k+1)λ,干涉减弱,干涉相消{A=0I=0\delta=r_2-r_1=\begin{cases} ±k\lambda,干涉加强,干涉相长\begin{cases} A=2A_0\\ I=4I_0\\ \end{cases}\\ ±(2k+1)\lambda,干涉减弱,干涉相消\begin{cases} A=0\\ I=0\\ \end{cases}\\ \end{cases} δ=r2−r1=⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎧±kλ,干涉加强,干涉相长{A=2A0I=4I0±(2k+1)λ,干涉减弱,干涉相消{A=0I=0
六、驻波
1.形成驻波的条件
两列相干波:同振幅A,传播方向相反(叠加形成驻波)
相干波:同频,同振向,恒定相位差
2.驻波方程
(1)驻波方程
两列波在t=0处的波形重合;选取二列波使该点的振动具有相同的相位φ=0\varphi=0φ=0处为原点
则,左右行波的方程为:
y1=Acos(ωt−2πxλ)y2=Acos(ωt+2πxλ)y_1=Acos(\omega t-2\pi\frac{x}{\lambda})\\ y_2=Acos(\omega t+2\pi\frac{x}{\lambda}) y1=Acos(ωt−2πλx)y2=Acos(ωt+2πλx)
代数和:
y=y1+y2=2Acos2πxλcosωt,驻波的波动方程y=y_1+y_2=2Acos2\pi\frac{x}{\lambda}cos\omega t,驻波的波动方程 y=y1+y2=2Acos2πλxcosωt,驻波的波动方程
余弦函数的最大值:
2Acosωt02Acos\omega t_0 2Acosωt0
随着时间t变化
(2)固定一个点x=x0x=x_0x=x0,即得到x0x_0x0点的振动方程
y=2Acos2πx0λcosωty=2Acos2\pi\frac{x_0}{\lambda}cos\omega t y=2Acos2πλx0cosωt
可知,振幅是x的函数,在波动的一个周期内引起各点的振幅不同,但是同时到达最大振幅处
-
振动加强处:振幅为2A
-
振动减弱处:振幅为0
(3)腹点与节点
-
腹点
∣cos2πxλ∣=1⇒2πxλ=kπ⇒x=kλ2k=0,±1,…相邻腹点之间间隔λ2|cos2\pi\frac{x}{\lambda}|=1\Rightarrow 2\pi\frac{x}{\lambda}=k\pi\\ \Rightarrow x=k\frac{\lambda}{2}\\ k=0,±1,… 相邻腹点之间间隔\frac{\lambda}{2} ∣cos2πλx∣=1⇒2πλx=kπ⇒x=k2λk=0,±1,...相邻腹点之间间隔2λ -
节点
∣cos2πxλ∣=0⇒2πxλ=(2k+1)π2⇒x=(2k+1)λ4k=0,±1,….相邻节点之间相距λ2|cos2\pi\frac{x}{\lambda}|=0\Rightarrow 2\pi\frac{x}{\lambda}=(2k+1)\frac{\pi}{2}\\ \Rightarrow x=(2k+1)\frac{\lambda}{4}\\ k=0,±1,….相邻节点之间相距\frac{\lambda}{2} ∣cos2πλx∣=0⇒2πλx=(2k+1)2π⇒x=(2k+1)4λk=0,±1,....相邻节点之间相距2λ
相邻腹点,节点之间的距离为λ4\frac{\lambda}{4}4λ -
各质点的相位特点
- 同一段有相同相位
- 相邻段的相位相反
-
驻波的能量:不向前传,只是在波节和波腹之间进行动能势能的相互转换
3.半波损失
(1)发生条件:
波疏介质传播到波密介质,在反射点发生半波损失,反射点称为节点
(2)半波损失的描述
1°波从波疏介质进入波密介质再反回波疏介质,反射点必有半波损失
2°波在反射点发生相位突变,反射点必有半波损失
3°反射点为固定点(或节点),反射点必有半波损失
(3)注意:
若发生半波损失,记得将波程差加上λ2\frac{\lambda}{2}2λ,或者相位加上π\piπ
七、多普勒效应
1.多普勒效应的概念
设s为振源,O为观测点,有如下的结论:
o向着s运动:ν=u+vouν0o远离s运动:ν=u−v0uν0s向着o运动:ν=uu−vsν0s远离o运动:ν=uu+vsν0o向着s运动:\nu=\frac{u+v_o}{u}\nu_0\\ o远离s运动:\nu=\frac{u-v_0}{u}\nu_0\\ s向着o运动:\nu=\frac{u}{u-v_s}\nu_0\\ s远离o运动:\nu=\frac{u}{u+v_s}\nu_0\\ o向着s运动:ν=uu+voν0o远离s运动:ν=uu−v0ν0s向着o运动:ν=u−vsuν0s远离o运动:ν=u+vsuν0
2.多普勒效应的应用
- 红移
- 汽车测速
- 卫星跟踪