大学物理-ch13机械波

2023/12/24第13章机械波§13.1机械波的形成与图像几个概念§13.2平面简谐波的波函数§13.3波的能量§13.4惠更斯原理

波的衍射、反射和折射§13.5波的干涉*§13.6声波超声波次声波*§13.7多普勒效应内容提要2023/12/24振动:于平衡位置，无随波逐流.波动:机械波：机械振动在弹性介质中的传播过程.电磁波：交变电磁场在空间的传播过程.物质波：微观粒子的运动,其本身具有的波粒二象性.波动的种类:振动的传播过程.2023/12/24波动的共同特征：

具有一定的传播速度，且都伴有能量的传播。能产生反射、折射、干涉和衍射等现象.水波声波天线发射出电磁波2023/12/24§13.1机械波的产生、传播和描述13.1.1波的基本概念

条件波源：作机械振动的物体.｛1.机械波:机械振动以一定速度在弹性介质中由近及远地传播出去，就形成机械波.弹性介质：承担传播振动的物质.机械振动只能在弹性介质中传播.说明2.横波与纵波横波：纵波：质元的振动方向与波的传播方向垂直.质元的振动方向与波的传播方向平行.2023/12/24振动曲线ty结论(1)

波动中各质点并不随波前进；yx波动曲线(2)

各个质点的相位依次落后,波动是相位的传播；(3)

波动曲线与振动曲线不同.2023/12/243.波的几何描述在波传播过程中，任一时刻媒质中振动相位相同的点构成的曲面.沿波的传播方向作的有方向的线.波面:波线:波前:波传播过程中,某一时刻最前面的波面.在各向同性均匀媒质中，波线⊥波面.注意2023/12/2413.1.2波速波长周期（频率）同一波线上相邻两个相位差为2

的质点之间的距离；即波源作一次完全振动，波前进的距离.波前进一个波长距离所需的时间.

周期表征了波的时间周期性.单位时间内，波前进距离中完整波的数目.

频率与周期的关系为:振动状态在媒质中的传播速度.

波速与波长、周期和频率的关系为:波长反映了波的空间周期性.2023/12/24(1)波的周期和频率与媒质的性质无关;一般情况下,

与波源振动的周期和频率相同.a.

拉紧的绳子或弦线中横波的波速为：b.

均匀细棒中，纵波的波速为：(2)波速实质上是相位传播的速度,故称为相速度;其大小主要决定于媒质的性质,与波的频率无关.说明—

张力—

线密度—

固体棒的杨氏模量—

固体棒的密度例如：2023/12/24d.

液体和气体只能传播纵波，其波速由下式给出:c.

固体媒质中传播的横波速率由下式给出：—

固体的切变弹性模量—

固体密度—

流体的容变弹性模量—

流体的密度e.

稀薄大气中的纵波波速为:—

气体摩尔热容比—

气体摩尔质量—

气体摩尔常数2023/12/24§13.2平面简谐波的波函数波面为平面的简谐波.平面简谐波:简谐波:介质传播的是谐振动，且波所到之处，介质中各质点作同频率的谐运动.13.2.1平面简谐波的描述波函数一、波函数:设波源的振动表达式为(x＝0)：简谐振动平面简谐波的波函数2023/12/24从时间看,P点t时刻的位移是O点时刻的位移.P点的振动表达式：即t=x/u时,P点的振动状态与O点t=0时的状态相同.——平面简谐波的波函数2023/12/24将代入上式波函数的其它形式

如果波沿x轴的负方向传播，则P点的相位要比O点的相位超前.则波函数为:2023/12/24讨论波函数的物理意义

当x=x

0(常数)时，

表示x0处质元的振动表达式.(2)当t=t0

(常数)时，表示各质元的位移分布函数.对应函数曲线——波形图.2023/12/24yxOx1x2u(3)波形图的分析：a.

可表示振幅A，A波长λ；λb.

波形图中x1

和x2

两质点的相位差:相位差：波程差:x2>x1,

<0，说明x2处质点振动的相位总落后于x1处质点的振动；2023/12/24yxOx1x2uAλu△td.

各质点的振动速度的方向：(4)振动质点的速度与加速度：c.

从某一时刻的波形图，经一段时间后的波形图：

将波形沿波速方向平移.2023/12/24如图，在下列情况下试求波函数(设波速为u,正向)：(3)若u沿x

轴负向，以上两种情况又如何？例:

(1)以A为原点；(2)以B为原点；BA已知A点的振动方程为：

在x轴上任取一点P，该点振动方程为：波函数为：解:P

BA

2023/12/24(2)

B点振动方程为：(3)以A为原点：以B为原点：波函数为:2023/12/24一平面简谐波沿x轴正方向传播，已知其波函数为: 标准形式:波函数为:比较可得:例:解:(1)波的振幅、波长、周期及波速；(2)质点振动的最大速度.求:(1)(2)2023/12/24例:

已知t=0时的波形曲线为Ⅰ，波沿x方向传播，经t=1/2s后波形变为曲线Ⅱ。已知波的周期T>1s，试根据图中绘出的条件求出波动表达式，并求A点的振动表达式。(已知A=0.01m)解：由图可知:波速：原点振动表达式：y(cm)x(cm)123456ⅡⅠA2023/12/24波动表达式：A点振动表达式：2023/12/24*13.2.2波动方程由知(2)不仅适用于机械波，也广泛地适用于电磁波、热传导、化学中的扩散等过程；(1)上式是一切平面波所满足的微分方程（正、反传播）；(3)若物理量是在三维空间中以波的形式传播，波动方程为右式.说明2023/12/2413.3.1波动能量的传播§13.3波的能量波动过程质元由静止开始振动质元也发生形变波动过程是能量的传播过程以平面简谐纵波在直棒中的传播为例：设波沿x方向传播波动表达式：1.介质元的能量1)介质元的振动动能：2023/12/242)介质元的弹性势能：2023/12/243)介质元的总能量：结论(1)介质元dV的总能量：——周期性变化(2)介质元的动能、势能变化是同周期的，且相等.(3)机械能不守恒，因为不是孤立体系，有能量传播.(4)最大位移处:平衡位置处:2023/12/242.波的能量密度单位体积介质中的波动能量.1)能量密度：2)平均能量密度：单位:J·m-3结论

机械波的能量与振幅的平方、频率的平方以及介质的密度成正比.一个周期内的平均值.2023/12/2413.3.2能流和能流密度单位时间内垂直通过介质中某一面积的波的能量．Suu能流(P)：平均能流：能流密度(波的强度)：单位时间内流过垂直于波传播方向的单位面积的波的平均能量．一个周期内的平均值.单位:W·m-22023/12/2413.3.3波能量的吸收吸收媒质,实验表明：O

为介质吸收系数，与介质的性质、温度、及波的频率有关．IxIxI0I0O2023/12/24§13.4惠更斯原理

波的衍射、反射和折射13.4.1惠更斯原理介质中波动传播到的各点，都可以看成是发射子波的波源，而在其后的任一时刻，这些子波的包络面就是新的波前．子波波源波前子波2023/12/241.

媒质中波动各点皆可当作球面子波的新波源；2.

任意时刻各子波源所发出子波的包迹即为新波阵面。2023/12/2413.4.2波的衍射1.波的衍射现象：波在传播的过程中遇到障碍物或小孔后，能够绕过障碍物的边缘继续传播的现象.2023/12/24§13.5波的叠加13.5.1波的叠加原理1.波传播的独立性原理

几列波在空间某点相遇后，每一列波都能独立地保持自己原有的特性(频率，波长，振幅，振动方向)传播，就像在各自的路程中，并没有遇到其他波一样.2.波的叠加原理

在波相遇区域内，任一质点的振动，为各波单独存在时所引起的振动的合振动.2023/12/2413.5.2波的干涉条件和公式1.干涉现象：

两列波在空间相遇(叠加)时，介质中有些点的振动始终加强，有些点的振动始终减弱或完全消失的现象.3.相干波:2.相干条件:频率相同、振动方向相同、相位差恒定.4.相干波源:满足相干条件的波.产生相干波的波源.2023/12/245.干涉规律根据叠加原理可知，P

点处振动方程为:S1S2合振动的振幅:PP点处波的强度:S1S2P2023/12/24相位差当干涉相长当干涉相消•空间点振动的情况分析:2023/12/24讨论干涉相长(1)若(2)若干涉相消干涉相长干涉相消从能量上看，当两相干波发生干涉时，在两波交叠的区域，合成波在空间各处的强度并不等于两个分波强度之和，而是发生重新分布。这种新的强度分布是时间上稳定的、空间上强弱相间具有周期性的一种分布。令——波程差2023/12/24例:

AB为两个相干波源,振幅均为5cm,频率为100Hz，波速为10m/s.A点为波峰时,B点恰为波谷,试确定两列波在P点干涉的结果.15mABP20m解：依题意设π的奇数倍，干涉为零，P点静止.2023/12/24例:

两相干波源S1和S2的间距为d=30m,均在x轴上,S1位于原点O.设两波源分别发出两列平面波沿x

轴传播,强度保持不变.x1=9m和x2=12m处的两点是相邻的两个因干涉而静止的点.OS1S2x1x2x解：设S1和S2的振动相位分别为:依题意x1点的振动相位差：-----------(1)求:

两波长及两波源间最小相位差.2023/12/24x2点的振动相位差：-----------(2)(2)-(1):由(1)式当k=-2，-3时位相差最小，故2023/12/2413.5.3驻波1.驻波：两列振幅相同的相干波相向传播时叠加形成的波称为驻波.驻波是波的一种干涉现象.

驻波的波形特点2023/12/242.驻波方程设x=0处两波初相均为0,即:讨论即驻波是各质点振幅按余弦分布的特殊谐振动；(1)2023/12/24波腹(A′=A′max)：波节(A′=A′min)：相邻两波腹之间的距离：相邻两波节之间的距离：2023/12/24(2)所有波节点将媒质划分为长的许多段;每段中各质点的振动振幅不同，但相位皆相同；而相邻段间各质点的振动相位相反;相位中没有x坐标，没有相位的传播.x波节波腹(3)没有波形的推进，也没有能量的传播，参与波动的各个质点处于稳定的振动状态.2023/12/24例:

在弦线上有一简谐波，其表达式为：为了在此弦线上形成驻波，并且在x=0处为一波节，此弦上还应有一简谐波，求其表达式.解：依题意设反向波为:因为x=0处为波节，2023/12/243.驻波的能量ABC波节波腹位移最大时平衡位置时

驻波的能量在相邻的波腹和波节间往复变化,在相邻的波节间发生动能和势能间的转换,动能主要集中在波腹,势能主要集中在波节,但无能量的定向传播.2023/12/241)入射波与反射波产生驻波振源固定端反射软绳自由端反射当形成驻波时总是出现波腹总是出现波节4.半波损失2023/12/242)半波损失波密介质：密度

与波速u的乘积

u较大的介质.波疏介质：密度

与波速u的乘积

u较小的介质.入射波入射波驻波驻波反射波反射波波密介质波疏介质

由波疏介质入射,在波密介质界面上反射,在界面处,反射波的振动相位总是与入射波的振动相位相反，即差了

;形成驻波时,总是出现波节.相位差了

，相当于波程差了称为“半波损失”.2023/12/245.振动的简正模式驻波条件:本征频率:1.两端固定的弦线形成驻波2.一端固定一端自由的弦线形成驻波2023/12/241、什么是声波？

在弹性介质中传播的机械纵波，一般统称为声波。其中频率在20～20000Hz范围，能够被人耳听到，称为可听声，简称声波；频率低于20Hz或高于20000Hz的声波不能被人耳听到，前者叫做次声波；后者便叫超声波。蝴蝶每秒振翅5~6次。蜜蜂每秒振翅300~400次。§13.6声波2023/12/24

人们能够听见的声波不仅受到频率范围的限制，而且要求处于一定的声强范围之内，声强太小，不能引起听觉；声强太大，只能使耳朵产生痛觉，也不能引起听觉。能够引起人们听觉的声强的变化范围是很大的，约为，数量级相差很大达，因此，为了比较介质中各点声波的强弱，不是使用声强，而是使用两声强之比的以10为底的对数值，叫做声强级，2、声强：即声波的能流密度。可表示为2023/12/24式中I0为基准声强，取为10-12Wm-2.3、声强级：指相对声强的对数。可表示为2023/12/24声阈dBHz频率语音范围疼痛界限音乐范围听觉界限声强级可闻阈痛觉阈：恰好能引起痛觉的最低声强。

听觉阈：恰好能引起听觉的最低声强。声强的上下限值随频率而异。

2023/12/24噪声噪声有两种意义：1、物理上指不规则的、间歇的或随机的声振动。2、指任何难听的、不和谐的声或干扰。

噪声是由不同频率、不同振幅的声音无规则地组合在一起而出现的。广义上说，任何不需要的声音都属噪声；狭义上说，噪声是指大于90

dB以上，对人的工作、健康有影响的声音。

强烈的噪声（160dB以上）不仅可损坏建筑物，而且还会使发声体本身因疲劳而受到破坏。

噪声污染问题引起人们广泛关注。大于90dB的声响，将导致噪声污染。2023/12/241、超声波的特点—2、次声波的特点—㊀绕射性好；㊁传播距离远。能量损失少。二、超声波、次声波特点㊀定向性好；㊁具有比声波大的多的能量；㊂具有强穿透能力。2023/12/24三、超声波和次声波的应用

1)超声波在水中传播的距离要比光波和无线电波远得多．水声测位仪就是根据超声波的这种特性制成的装置，这种装置既能发出短促的超声波脉冲．又能接收被潜艇、鱼群或海底反射回来的超声波，根据反射波滞后的时间和波速，就可以确定潜艇、鱼群的位置或海水深度．1、超声波的应用2023/12/242)超声波探伤，由于超声波的穿透能力很强，可以制成超声波探伤仪，用来探查金属内部的缺陷．

4）利用超声波作用于人体时．机体细胞受到振荡和刺激，可起按摩作用，治疗神经痛等疾患．3）利用超声波可进行“B超”，就是利用超声波的发射，来探查人体内部的各种器官、组织等有无异常，还可以确定肿瘤的有无、位置和大小等等．5）用超声波消毒灭菌也是有效的．例如用超声波来给牛奶消毒，效果良好，而且能避免煮沸法对营养成分的破坏．2023/12/246）利用超声波可以把普通水“打碎”成直径仅为几微米的小水珠，变成雾气喷散到房间的空气中，增大房间中空气的湿度，这就是“超声加湿器”的基本原理．2023/12/247）超声波还可以把药物击碎成微粒和空气混合形成“药雾”，病人吸入后，可以治疗肺部和气管类疾病．（下图为超声波雾化器）2023/12/24

1）次声波产生与地球、海洋及大气的大规模运动有关。如火山爆发、地震、大气湍流等都有次声波产生。人们就可以利用这些前兆现象来预测和预报这些灾害性自然事件的发生。例如台风和海浪摩擦产生的次声波，由于它的传播速度远快于台风移动速度，因此，人们利用一种叫“水母耳”的仪器，监测风暴发出的次声波，即可在风暴到来之前发出警报．还可以通过研究自燃现象产生次声波的机制和特性，深入认识自燃规律。

2）军事应用：①军事侦察：次声波在介质中传播时，能量衰减缓慢，并且运动快，而且隐蔽性号，不易被对方发现，因而可以用来侦察军事情报；②次声波有杀伤性：利用和人体器官固有频率相近的次声波与人体器官产生共振，导致人体器官的变形和移位，甚至破裂，达到杀伤对方的目的。2、次声波的应用2023/12/24

当波源速度大于波的速度时,波源比波前进得快,波的前面不可能形成波动，在各个时刻波源发出的波到达的波前的包络面呈现出一个以波源为顶点的圆锥面,这种波叫冲击波,也叫马赫波,此锥面叫马赫锥.M

为马赫数如核爆炸、超音速飞行等2023/12/24*§13.7多普勒效应

波源或观察者或它们二者相对于介质运动时，观察者接收到的频率和波源的真实频率并不相等，这一现象称