第17章机械波.ppt
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1、第九章第九章 机械波机械波9.1 9.1 机械波的产生和传播机械波的产生和传播第九章第九章 机械波机械波波动是振动的传播过程波动是振动的传播过程.振动是激发波动的波源振动是激发波动的波源.机械波机械波电磁波电磁波波动波动机械振动在机械振动在弹性弹性介质中的传播介质中的传播.交变电磁场在空间的传播交变电磁场在空间的传播.两两类类波波的的不不同同之之处处v机械波的传播需有机械波的传播需有传播振动的介质传播振动的介质;v电磁波的传播可电磁波的传播可不需介质不需介质.2能量传播能量传播2反射反射2折射折射2干涉干涉2衍射衍射两两类类波波的的共共同同特特征征9.1 9.1 机械波的产生和传播机械波的产生
2、和传播第九章第九章 机械波机械波波源波源介质介质+弹性作用弹性作用机机械械波波一一 机械波的形成机械波的形成产生条件:产生条件:1)波源;)波源;2)弹性介质)弹性介质.波是运动状态的传播,介质的波是运动状态的传播,介质的质点并不随波传播质点并不随波传播.注意注意机械波:机械振动在弹性介质中的传播机械波:机械振动在弹性介质中的传播.9.1 9.1 机械波的产生和传播机械波的产生和传播第九章第九章 机械波机械波横波:质点振动方向与波的传播方向相横波:质点振动方向与波的传播方向相垂直垂直的波的波.(仅在固体中传播(仅在固体中传播)二二 横波与纵波横波与纵波 特征:具有交替出现的波峰和波谷特征:具有
3、交替出现的波峰和波谷.9.1 9.1 机械波的产生和传播机械波的产生和传播第九章第九章 机械波机械波纵波:质点振动方向与波的传播方向互相纵波:质点振动方向与波的传播方向互相平行平行的波的波.(可在固体、液体和气体中传播)(可在固体、液体和气体中传播)特征:具有交替出现的密部和疏部特征:具有交替出现的密部和疏部.9.1 9.1 机械波的产生和传播机械波的产生和传播第九章第九章 机械波机械波三三 波长波长 波的周期和频率波的周期和频率 波速波速2 波长波长 :沿波的传播方向,两个相邻的、相:沿波的传播方向,两个相邻的、相位差为位差为 的振动质点之间的距离,即一个完整的振动质点之间的距离,即一个完整
4、波形的长度波形的长度.OyAA-9.1 9.1 机械波的产生和传播机械波的产生和传播第九章第九章 机械波机械波2 周期周期 :波前进一个波长的距离所需要:波前进一个波长的距离所需要的时间的时间.2 频率频率 :周期的倒数,即单位时间内波动:周期的倒数,即单位时间内波动所传播的完整波的数目所传播的完整波的数目.2 波速波速 :波动过程中,某一振动状态(即:波动过程中,某一振动状态(即振动相位)单位时间内所传播的距离(相速)振动相位)单位时间内所传播的距离(相速).注意注意周期或频率只决定于波源的振动周期或频率只决定于波源的振动周期或频率只决定于波源的振动周期或频率只决定于波源的振动!波速只决定于
5、媒质的性质!波速只决定于媒质的性质!波速只决定于媒质的性质!波速只决定于媒质的性质!9.1 9.1 机械波的产生和传播机械波的产生和传播第九章第九章 机械波机械波波速波速 与介质的性质有关,与介质的性质有关,为介质的密度为介质的密度.如声音的传播速度如声音的传播速度空气,常温空气,常温左右,左右,混凝土混凝土横横 波波固体固体纵纵 波波液、气体液、气体切变切变模量模量弹性弹性模量模量体积体积模量模量9.1 9.1 机械波的产生和传播机械波的产生和传播第九章第九章 机械波机械波四四 波线波线 波面波面 波前波前*球球 面面 波波平平 面面 波波波前波前波面波面波线波线9.1 9.1 机械波的产生
6、和传播机械波的产生和传播第九章第九章 机械波机械波 例例1 在室温下,已知空气中的声速在室温下,已知空气中的声速 为为340 m/s,水中的声速水中的声速 为为1450 m/s ,求频率为求频率为200 Hz和和2000 Hz 的声波在空气中和水中的波长各为多少?的声波在空气中和水中的波长各为多少?在水中的波长在水中的波长解解由由 ,频率为,频率为200 Hz和和2000 Hz 的声波在的声波在空气中的波长空气中的波长9.1 9.1 机械波的产生和传播机械波的产生和传播第九章第九章 机械波机械波解解(1)气体中纵波的速度)气体中纵波的速度由理想气体状态方程由理想气体状态方程 例例2 假如在空气
7、中传播时,空气的压缩与膨胀过程假如在空气中传播时,空气的压缩与膨胀过程进行得非常迅速,以致来不及与周围交换热量,声波的进行得非常迅速,以致来不及与周围交换热量,声波的传播过程可看作绝热过程传播过程可看作绝热过程.(1)视空气为理想气体,试证声速视空气为理想气体,试证声速 与压强与压强 的关的关系为系为 ,与温度,与温度 T 的关系为的关系为 .式中式中 为气体摩尔热容之比,为气体摩尔热容之比,为密度,为密度,R 为摩尔气体常为摩尔气体常数,数,M 为摩尔质量为摩尔质量.9.1 9.1 机械波的产生和传播机械波的产生和传播第九章第九章 机械波机械波解解(2)由()由(1)例例2 假如在空气中传播
8、时,空气的压缩与膨胀过程假如在空气中传播时,空气的压缩与膨胀过程进行得非常迅速,以致来不及与周围交换热量,声波的进行得非常迅速,以致来不及与周围交换热量,声波的传播过程可看作绝热过程传播过程可看作绝热过程.(1)视空气为理想气体,试证声速视空气为理想气体,试证声速 与压强与压强 的关的关系为系为 ,与温度,与温度 T 的关系为的关系为 .暗暗(2)求求0 和和20 时时,空气中的声速空气中的声速.(空气(空气)9.2 9.2 平面简谐波平面简谐波 波动方程波动方程第九章第九章 机械波机械波各质点相对平衡各质点相对平衡位置的位置的位移位移波线上各质点波线上各质点平衡平衡位置位置 简谐波:在均匀的
9、、无吸收的介质中,波源作简谐波:在均匀的、无吸收的介质中,波源作简谐运动时,在介质中所形成的波简谐运动时,在介质中所形成的波.一一 平面简谐波的波函数平面简谐波的波函数 平面简谐波:波面为平面的简谐波平面简谐波:波面为平面的简谐波.介质中任一质点(坐标为介质中任一质点(坐标为 x)相对其平衡位置的相对其平衡位置的位移(坐标为位移(坐标为 y)随时间的变化关系,即随时间的变化关系,即 称称为波函数为波函数.9.2 9.2 平面简谐波平面简谐波 波动方程波动方程第九章第九章 机械波机械波点点O 的振动状态的振动状态点点 Pt 时刻点时刻点 P 的的运动运动t-x/u时刻点时刻点O 的运动的运动 以
10、速度以速度u 沿沿 x 轴正向传播的轴正向传播的平面简谐波平面简谐波.令令原点原点O 的初相为的初相为零,其振动方程零,其振动方程 点点P 振动方程振动方程时间推时间推迟方法迟方法9.2 9.2 平面简谐波平面简谐波 波动方程波动方程第九章第九章 机械波机械波点点 P 比点比点 O 落后落后的相位的相位点点 P 振动方程振动方程点点 O 振动方程振动方程 波函数波函数P*O相位落后法相位落后法9.2 9.2 平面简谐波平面简谐波 波动方程波动方程第九章第九章 机械波机械波 沿沿 轴轴负负向向 点点 O 振动方程振动方程 波波函函数数 沿沿 轴轴正正向向 O 如果原点的如果原点的初相位初相位不不
11、为零为零9.2 9.2 平面简谐波平面简谐波 波动方程波动方程第九章第九章 机械波机械波 波动方程的其它形式波动方程的其它形式角波数角波数 质点的振动速度,加速度质点的振动速度,加速度9.2 9.2 平面简谐波平面简谐波 波动方程波动方程第九章第九章 机械波机械波二二 波函数的物理意义波函数的物理意义 1 当当 x 固定时,固定时,波函数表示该点的简谐运动波函数表示该点的简谐运动方程,并给出该点与点方程,并给出该点与点 O 振动的相位差振动的相位差.(波具有时间的周期性)(波具有时间的周期性)9.2 9.2 平面简谐波平面简谐波 波动方程波动方程第九章第九章 机械波机械波波线上各点的简谐运动图
12、波线上各点的简谐运动图9.2 9.2 平面简谐波平面简谐波 波动方程波动方程第九章第九章 机械波机械波(波具有空间的周期性)(波具有空间的周期性)2 当当 一定时,波函数表示该时刻波线上各点一定时,波函数表示该时刻波线上各点相对其平衡位置的位移,即此刻的波形相对其平衡位置的位移,即此刻的波形.波程差波程差9.2 9.2 平面简谐波平面简谐波 波动方程波动方程第九章第九章 机械波机械波O O 3 若若 均变化,波函数表示波形沿传播方均变化,波函数表示波形沿传播方向的运动情况(行波)向的运动情况(行波).时刻时刻时刻时刻9.2 9.2 平面简谐波平面简谐波 波动方程波动方程第九章第九章 机械波机械
13、波 例例1 已知波动方程如下,求波长、周期和波速已知波动方程如下,求波长、周期和波速.解解:方法一(比较系数法):方法一(比较系数法).把把题中波动方程改写成题中波动方程改写成比较得比较得9.2 9.2 平面简谐波平面简谐波 波动方程波动方程第九章第九章 机械波机械波 例例1 已知波动方程如下,求波长、周期和波速已知波动方程如下,求波长、周期和波速.解解:方法二(由各物理量的定义解之):方法二(由各物理量的定义解之).周期周期为相位传播一个波长所需的时间为相位传播一个波长所需的时间 波长波长是指同一时刻是指同一时刻 ,波线上相位差为,波线上相位差为 的两的两点间的距离点间的距离.9.2 9.2
14、 平面简谐波平面简谐波 波动方程波动方程第九章第九章 机械波机械波 1)波动方程波动方程 例例2 一平面简谐波沿一平面简谐波沿 O x 轴正方向传播,轴正方向传播,已知振已知振幅幅 ,.在在 时坐标时坐标原点处的质点位于平衡位置沿原点处的质点位于平衡位置沿 O y 轴正方向运动轴正方向运动.求求 解解 写出波动方程的标准式写出波动方程的标准式O9.2 9.2 平面简谐波平面简谐波 波动方程波动方程第九章第九章 机械波机械波2)求求 波形图波形图.波形方程波形方程o2.01.0-1.0 时刻波形图时刻波形图9.2 9.2 平面简谐波平面简谐波 波动方程波动方程第九章第九章 机械波机械波3)处质点
15、的振动规律并做图处质点的振动规律并做图.处质点的振动方程处质点的振动方程01.0-1.02.0O1234*1234处质点的振动曲线处质点的振动曲线1.09.2 9.2 平面简谐波平面简谐波 波动方程波动方程第九章第九章 机械波机械波 例例3 一平面简谐波以速度一平面简谐波以速度 沿直线传播沿直线传播,波线上点波线上点 A 的简谐运动方程的简谐运动方程 .1)以以 A 为坐标原点,写出波动方程为坐标原点,写出波动方程ABCD5m9m8m9.2 9.2 平面简谐波平面简谐波 波动方程波动方程第九章第九章 机械波机械波2)以以 B 为坐标原点,写出波动方程为坐标原点,写出波动方程ABCD5m9m8m
16、9.2 9.2 平面简谐波平面简谐波 波动方程波动方程第九章第九章 机械波机械波3)写出传播方向上点写出传播方向上点C、点点D 的简谐运动方程的简谐运动方程ABCD5m9m8m点点 C 的相位比点的相位比点 A 超前超前点点 D 的相位落后于点的相位落后于点 A 9.2 9.2 平面简谐波平面简谐波 波动方程波动方程第九章第九章 机械波机械波4)分别求出分别求出 BC,CD 两点间的相位差两点间的相位差ABCD5m9m8m9.2 9.2 平面简谐波平面简谐波 波动方程波动方程第九章第九章 机械波机械波 1)给出下列波函数所表示的波的给出下列波函数所表示的波的传播方向传播方向和和 点的初相位点的
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