第四章 振动和波.

Slides:



Advertisements
Similar presentations
探究问题 1 、观察任意一 质点,在做什么运动? 动画课堂 各个质点在各自的平衡 位置附近做机械振动,没 有随波迁移。 结论 1 :
Advertisements

一、 一阶线性微分方程及其解法 二、 一阶线性微分方程的简单应用 三、 小结及作业 §6.2 一阶线性微分方程.
第五节 全微分方程 一、全微分方程及其求法 二、积分因子法 三、一阶微分方程小结. 例如 所以是全微分方程. 定义 : 则 若有全微分形式 一、全微分方程及其求法.
2.8 函数的微分 1 微分的定义 2 微分的几何意义 3 微分公式与微分运算法则 4 微分在近似计算中的应用.
第八章 第四节 机动 目录 上页 下页 返回 结束 一个方程所确定的隐函数 及其导数 隐函数的微分法.
2.6 隐函数微分法 第二章 第二章 二、高阶导数 一、隐式定义的函数 三、可微函数的有理幂. 一、隐函数的导数 若由方程 可确定 y 是 x 的函数, 由 表示的函数, 称为显函数. 例如, 可确定显函数 可确定 y 是 x 的函数, 但此隐函数不能显化. 函数为隐函数. 则称此 隐函数求导方法.
2.5 函数的微分 一、问题的提出 二、微分的定义 三、可微的条件 四、微分的几何意义 五、微分的求法 六、小结.
信号与系统 第三章 傅里叶变换 东北大学 2017/2/27.
§3.4 空间直线的方程.
《解析几何》 -Chapter 3 §7 空间两直线的相关位置.
第八章 向量代数 空间解析几何 第五节 空间直线及其方程 一、空间直线的点向式方程 和参数方程 二、空间直线的一般方程 三、空间两直线的夹角.
3.4 空间直线的方程.
1.非线性振动和线性振动的根本区别 §4-2 一维非线性振动及其微分方程的近似解法 方程
碰撞 两物体互相接触时间极短而互作用力较大
碰撞分类 一般情况碰撞 1 完全弹性碰撞 动量和机械能均守恒 2 非弹性碰撞 动量守恒,机械能不守恒.
例7-1 荡木用两条等长的钢索平行吊起,钢索的摆动规律为j= j 0sin(pt/4)。试求当t=0和t=2s时,荡木中点M的速度和加速度。
第七节 第七章 常系数 齐次线性微分方程 基本思路: 求解常系数线性齐次微分方程 转化 求特征方程(代数方程)之根.
第9章 振动和波 按照物质运动的形态,经典物理学分成力(包括声)、热、电、光等子学科。然而,某些形式的运动是横跨所有这些学科的,其中最典型的要算振动和波了。在力学中有机械振动和机械波,在电学中有电磁振荡和电磁波,声是一种机械波,光则是一种电磁波。量子力学又称波动力学。本章的意义绝不局限于力学,它将为学习整个物理学打基础。
第一章 行列式 第五节 Cramer定理 设含有n 个未知量的n个方程构成的线性方程组为 (Ⅰ) 由未知数的系数组成的n阶行列式
第五节 微积分基本公式 、变速直线运动中位置函数与速度 函数的联系 二、积分上限函数及其导数 三、牛顿—莱布尼茨公式.
一、原函数与不定积分 二、不定积分的几何意义 三、基本积分公式及积分法则 四、牛顿—莱布尼兹公式 五、小结
第二节 微积分基本公式 1、问题的提出 2、积分上限函数及其导数 3、牛顿—莱布尼茨公式 4、小结.
数 学 分 析 第九章 定积分 第二节 微积分学基本公式 主讲:师建国.
第四节 一阶线性微分方程 线性微分方程 伯努利方程 小结、作业 1/17.
2-7、函数的微分 教学要求 教学要点.
光学谐振腔的损耗.
第三章 多维随机变量及其分布 §2 边缘分布 边缘分布函数 边缘分布律 边缘概率密度.
§3.7 热力学基本方程及麦克斯韦关系式 热力学状态函数 H, A, G 组合辅助函数 U, H → 能量计算
乒乓球回滚运动分析 交通902 靳思阳.
第一章 振动和波动 振动(Vibration):任何一个物理量在某一 定 值附近随时间作反复变化。其中物体位置随时间的变更称为机械振动。
§7.4 波的产生 1.机械波(Mechanical wave): 机械振动在介质中传播过程叫机械波。1 2 举例:水波;声波.
第8章 静电场 图为1930年E.O.劳伦斯制成的世界上第一台回旋加速器.
2.1.2 空间中直线与直线 之间的位置关系.
Partial Differential Equations §2 Separation of variables
第二十二章 曲面积分 §1 第一型曲面积分 §2 第二型曲面积分 §3 高斯公式与斯托克斯公式.
实数与向量的积.
线段的有关计算.
第四章 一次函数 4. 一次函数的应用(第1课时).
三角函数诱导公式(1) 江苏省高淳高级中学 祝 辉.
一、驻波的产生 1、现象.
§5.3万有引力定律 一.历史的回顾 1.地心说和本轮理论(C.Ptolemy,约前150)
§1体积求法 一、旋转体的体积 二、平行截面面积为已知的立体的体积 三、小结.
复习: 若A(x1,y1,z1) , B(x2,y2,z2), 则 AB = OB - OA=(x2-x1 , y2-y1 , z2-z1)
正切函数的图象和性质 周期函数定义: 一般地,对于函数 (x),如果存在一个非零常数T,使得当x取定义域内的每一个值时,都有
第15章 量子力学(quantum mechanics) 初步
§6.7 子空间的直和 一、直和的定义 二、直和的判定 三、多个子空间的直和.
3.1 变化率与导数   3.1.1 变化率问题 3.1.2 导数的概念.
相关与回归 非确定关系 在宏观上存在关系,但并未精确到可以用函数关系来表达。青少年身高与年龄,体重与体表面积 非确定关系:
一 测定气体分子速率分布的实验 实验装置 金属蒸汽 显示屏 狭缝 接抽气泵.
第一节 不定积分的概念与性质 一、原函数与不定积分的概念 二、不定积分的几何意义 三、基本积分表 四、不定积分的性质 五、小结 思考题.
第三章 函数的微分学 第二节 导数的四则运算法则 一、导数的四则运算 二、偏导数的求法.
五、机械振动 山东大学精品课程 医学物理学.
第十一章 机械波和电磁波 §11-1 机械波的产生和传播 §11-2 平面简谐波的波函数 §11-3 波动方程 波速
质点运动学两类基本问题 一 由质点的运动方程可以求得质点在任一时刻的位矢、速度和加速度;
第15讲 特征值与特征向量的性质 主要内容:特征值与特征向量的性质.
一、平面简谐波的波动方程.
第四节 第七章 一阶线性微分方程 一、一阶线性微分方程 *二、伯努利方程.
热力学第一定律的应用 --理想气体等容过程、定容摩尔热容 --理想气体等压过程 、定压摩尔热容.
§2 方阵的特征值与特征向量.
欢迎大家来到我们的课堂 §3.1.1两角差的余弦公式 广州市西关外国语学校 高一(5)班 教师:王琦.
φ=c1cosωt+c2sinωt=Asin(ωt+θ).
波动习题 习题总目录
第四节 向量的乘积 一、两向量的数量积 二、两向量的向量积.
3.2 平面向量基本定理.
第六章 机械波 mechanical wave.
第三节 数量积 向量积 混合积 一、向量的数量积 二、向量的向量积 三、向量的混合积 四、小结 思考题.
三角 三角 三角 函数 余弦函数的图象和性质.
《偏微分方程》第一章 绪论 第一章 绪论 1.1.
第三章 图形的平移与旋转.
第六章 机械振动和机械波 鄢小卿 物理学院5教315室 电话:
Presentation transcript:

第四章 振动和波

第一部分 振 动 . . 一、简谐振动基础 1. 弹簧振子理想模型 理想振子:弹簧无质量、点质量、无摩擦、弹性范围内 k F m o x v 第一部分 振 动 一、简谐振动基础 1. 弹簧振子理想模型 理想振子:弹簧无质量、点质量、无摩擦、弹性范围内 m X o k . x F k . v t X T F x m X o k

2. 振动的规律 1)动力学规律: 质点在某位置受力为零 —平衡位置 —取为坐标原点 离开平衡位置,质点受的力总是与质点相对平衡位置的位移成正比,并指向平衡点。 或线性回复力 ——弹性力 根据牛顿定律: 即: 令: 得: ——理想振子的动力学方程 任意物理量 广义地 Q作简谐振动

即求方程: 的解 显然方程的解: A、 为待定系数,由初始条件来确定: 振幅 初位相 t A -A 振动曲线 —— o 2)运动学规律 (1)弹簧振子的位移 即求方程: 的解 显然方程的解: A、 为待定系数,由初始条件来确定: 如当 t=0,x=xo,v=vo时 振幅 初位相 若已知A、0、 就唯一确定了一个简谐振动 x t A -A 振动曲线 —— o

(2) 振子的振动速度及加速度 速 度: 加速度: 可见: 振子的速度v、加速度a 均随t按余弦函数规律变化 v、a —— 作简谐振动 3. 振动特征参数: (1) 振幅 正值 位移振幅A 速度振幅Aw0 加速度振幅Aw02 (2) 角频率w0、自然频率f0、周期T (3) 位相w0t +j、初位相j

固 有 周 期 振动周期T —— 一次完整振动所需的 时间 由余弦函数的周期得: 固有圆频率 固有频率: 由系统本身性质决定 振幅 A ~~ 决定振动的范围; 0、T 、f0 ~~ 决定振动的快慢; ~~ 决定质点的运动状态。

二、简谐振动描述 —— 旋转矢量法 简谐振动参量: 振动方程+初始条件; 旋转矢量法 1. 旋转矢量与位移 x . . . . . . . . . . 设 t=0 时: . . . X . . . . . . . 旋转矢量的端点在X轴上的投影: 即:投影点的运动就是一特定的简谐振动。 三特征量的几何意义: 振幅A ——圆周半径 固有频率0——匀角速度 位相 ——旋转矢量与X轴的夹角

. . 2. 旋转矢量与速度 v、加速度a 匀速圆周运动的速度: X v 在X轴上的投影: 旋转矢量端点的投影坐标: 投影点的速度: 投影点的加速度: . X 旋转矢量端点的加速度: an在X轴上的投影:

结论 r 旋转矢量作匀速转动时,其端点的位置、速度、 加速度在X轴上的投影,等于一特定的简谐振动的 位移、速度、加速度。 w w A r j X 旋转矢量图 o 一般地,给定A、0、 三个特征量 就唯一确定一个简谐振动。 注: 1)仅在旋转矢量法中,A、0、才有 几何意义。 2)此方法只是直观描述简谐振动的工具。 引申(问题思考): 旋转矢量法为什么可以表示简谐振动? 纵轴y代表什么?

3. 旋转矢量与位相 . A r X X 利用旋转矢量的位置可推出振动系统各时刻的状态: 振子在最大位移 v =0 演 示

r r x2 2)位相差 设两频率相等的简谐振动: A2 A1 j D 它们的位相差: ——初位相差 由比较两振动的步调:  = 2k 或 0 2=1+2k X t A1 -A1 A2 -A2 x1 x2 T x 两振子同时到达同方向各 自最大位移处,同时过平衡 点向同方向运动两振动步调 一致。 ——同相

两振动 ——反相 若 > 0 例如: 一般说,x2的振子比 x1的落后 的位相 (2)  = (2k+1) 2=1+ x2 X o A1 -A1 A2 - A2 x1 t 两振动 ——反相 (3)  k 则两振动不同相, 若 > 0 则:2>1 x2比x1较早达到正向最大, 称x2比x1超前  的位相 (或x1比x2落后)。 注: 位相的周期是2,一般的值限制在  以内, 例如: 一般说,x2的振子比 x1的落后 的位相

(4)  0不同相的两振动,达同一运动状态存在一时间差 两振动运动状态相同: 即: 对同一振动,从 1=ot1+ 到 2=ot2+ ,所需时间: 说明:比较两个振动的步调时,必须将所比的简谐振动 化成标准表达式: 初位相

简谐振动的速度 v 和加速度 a 相对于位移 x 的位相关系 结论:一次微分相位超前  /2, 两次微分相位变成反相。 问 简谐振动的速度 v 和加速度 a 相对于位移 x 的位相关系 不同物理量也可比较振动的步调 v 比 x 超前 /2 a 比 x 超前 —反相 x>0 v<0 a<0 Ax Av Aa t x<0 a>0 v>0 结论:一次微分相位超前  /2, 两次微分相位变成反相。

三、机械简谐振动系统的能量 1.简谐振动系统的动能和势能 m X o =0 则得:Et =常量 任意时刻 t: 动能 随时间 变化 势能 (1)水平弹簧振子的能量 =0 则得:Et =常量 任意时刻 t: 动能 随时间 变化 势能 =常量 总机械能

(2) 单摆系统的能量 l m h 任意时刻 t: 动能: 势能: =常量 总能量

即:简谐振动的过程正是动能与势能相互转换的过程 2.简谐振动系统能量的特点 EK、Ep各自随时间作周期性变化 E E=(1/2)kA2 Ek、Ep 总是 此大彼小 Ek Ep T x o t Et=常量 即:简谐振动的过程正是动能与势能相互转换的过程 动能与势能的时间平均值:

结论: E E E k E Et A 2 = o A kA 1 E ) ( = 4)Et正比于振幅的平方A2 能量与位移关系 E 2 kA 1 E ) ( = p E 4)Et正比于振幅的平方A2 k E X k E Et A 2 = A - o A 结论: * 弹簧振子的动能和势能的平均值相等,且 等于总机械能的一半; ** 任一简谐振动总能量与振幅的平方成正比; *** 振幅不仅给出简谐振动运动的范围,而且还反 映了振动系统总能量的大小及振动的强度。 这些结论同样适用于任何简谐振动!!!

复习 简谐振动方程和解 简谐振动表述方法 简谐振动的能量 t=0,x=xo,v=vo时

例2.5.1 一物体沿x轴作简谐振动,A=12cm,T=2s。当t=0时位移为+6cm,且向x轴正向运动。求(1)物体振动位移表达式;(2)t=0.5s时物体的位移、速度和加速度;(3)x=-6cm处且向负方向运动时物体的速度和加速度。以及从该处运动到平衡位置处所需的最短时间。 解: (1) t=0时,x =0.5A,振子向X轴正向运动,由旋转矢量法易得  =+p/3。 . X 或 (2) t=0.5s (3) x=-6cm

四、 振动的一般情形—阻尼振动 F弹 f阻 X x m o 1. 谐振子的阻尼振动 1)动力学方程 根据牛顿定律: 则: ——动力学方程 即: 其中: ——阻尼系数 阻尼项 注意:b量纲 (1/s) ——品质因数

2)运动学特征 (1)阻尼较小时, 0,称为弱阻尼 解: 特点 t T *振幅随 t 按指数衰减 经一周期两振幅之比: X 频率 T *振幅随 t 按指数衰减 经一周期两振幅之比: 阻尼减缩因子 **是准周期运动 位相改变2 所经历的时间~~周期 出现两次极大的时间间隔: 周期变长,振动变慢 * ** 机械能E 随振幅A的减小而衰减

) ( t x t (2)阻尼较大时 >o,称为过阻尼 方程的解: 其中C1 、C2是积分常数,由初始条件来决定。 振动特点 *非周期运动 *无振动发生 运动一开始,便逐渐回到 平衡位置。 t 临界阻尼 (3) =0,称为临界阻尼 方程的解: C1、C2由初始条件决定 振动特点同上, 但很快回到平衡位置。 是从有周期性因子 到无周期性的临界点。

x m o F弹 f阻 F外 则有: 系统的稳定振动状态 反映系统的暂态行为 2. 谐振子的受迫振动 X x m o F弹 f阻 1)谐振子的受迫振动方程 F外 设强迫力 则有: ——动力学方程 方程的通解=齐次微分方程的解+非齐次的一个特解 系统的稳定振动状态 反映系统的暂态行为 经过足够长的时间,稳态解:

即:稳态时的受迫振动按简谐振动的规律变化 振幅: 稳态频率: w = 稳态解 即:稳态时的受迫振动按简谐振动的规律变化 振幅: 稳态频率: 外 w = 将稳态解代入方程可得: 位相: 2) 稳定受迫振动与简谐振动的区别: * 受力不同: 弹簧振子— F弹, 受迫振动—F外 **三特征量的本质不同: —外力决定 —系统固有 弹簧振子 由初始 条件决定 受迫振动 解方程 求得 * ** 能量情况不同: 简谐振动系统能量守恒 受迫振动系统阻力消耗的能量=外力作功

共振频率 Ar  f0/(2 0 ) ~~称尖锐共振 3. 共振 —— 位移共振 在一定条件下, 振幅出现 极大值, 振动剧烈的现象。 令:  r= —共振振幅 共振频率 w外 Ap b 减小 wr  r<0 ,与  有关  大,  r 小 Amax—小  小,  r大 Amax—大 若 << 0, 则  r  o Ar  f0/(2 0 ) ~~称尖锐共振 若 0 Amax  实际上不可能

w外 Ap b 减小 wr 结论: 隔振概念

当 弱阻尼时 共振发生在固有频率处, 称为尖锐共振。 2 tg 外 w w外  - = 当 弱阻尼时 共振发生在固有频率处, 称为尖锐共振。 共振时,受迫振动相位落后于强迫力相位p/2,即振动速度与强迫力同位相,那么外力始终对系统作正功,对速度的增大有最大的效率。这正是振动振幅急剧增大的原因。 但是,随着振幅的增大,阻力的功率也不断增大,最后与强迫力的功率相抵,从而使振幅保持恒定。从能量观点看在共振时,这能量转变为共振质点的能量,也叫共振吸收。

结论: 五、简谐振动的合成与分解 r r r 1. 同振动方向、同频率的两个简谐振动的合成 设两简谐振动为: 用旋转矢量法: A w y2 1. 同振动方向、同频率的两个简谐振动的合成 设两简谐振动为: 用旋转矢量法: A r o w y2 y1 j r A2 o w j2 在X轴的投影: 由几何关系得: x = x1+ x2 x1、 x2的合振动就是 x ) cos( j w + = t A o 即: X A1 r o w j1 x1 x2 x 合振动的振幅为A: 合振动的初位相: 结论: (1)合振动仍是同频率的简谐振动。 (2)合振幅不仅与分振幅有关还与有关。

r r r r ? 2. 同振动方向、不同频率的两个简谐振动的合成 A 设两振动为:x1、x2 A2 A1 与 以不同的角速度旋转 A2 与 以不同的角速度旋转 A2 r w2 A1 r 它们之间的夹角为: t ) ( 1 2 w - w1 o X  则合运动不是简谐振动。 讨论一特例: ) cos( 1 j w + = t A x ( cos 2 则两振动为: 合振动: ? 合振动的振幅 由旋转矢量图可得:

(1)拍现象只在两分振动的频率相差不太大时才 显出来。 即: 现象才明显 合振动方程 振幅A按余弦函数变化,变化范围: 这种振幅出现加强 和减弱现象称为~~拍。 X 可见 改变 时, A就重复出现一次变化 t 2 1 w - t 拍的周期 和拍的频率: 注: (1)拍现象只在两分振动的频率相差不太大时才 显出来。 即: 现象才明显 (2)与合振动位移变化的频率是完全不同的

3. 振动方向相互垂直、频率相等的两个简谐振动的合成 设两振动为: 消去t 讨论几种特殊情况: 则有:

小结: 为任意值时,合振动的轨迹为一般椭圆 j D  = 0 /2 3/4 /4 5/4 3/2 7/4  = 

w N y = x w N x y

x1 x2 例:弹簧连接体 k m1 m2 哈密顿量 x 正则方程 迭代公式 牛顿力学

设质心位置坐标为yc,两质量块相对位置坐标为yr x1 x2 哈密顿量 k m1 m2 x 设质心位置坐标为yc,两质量块相对位置坐标为yr 正则方程 END

第二部分 波 动 一、 前 言 1. 机械波产生的条件 1)波 源:产生振动的机构 2)弹性媒质:无穷多质点通过相互之间的弹性力作用 第二部分 波 动 一、 前 言 1. 机械波产生的条件 1)波 源:产生振动的机构 2)弹性媒质:无穷多质点通过相互之间的弹性力作用 组合在一起的连续介质 分子间的作用势能 x x0 u0 u o 结论:分子力是准弹性力。

2. 波的分类 电磁波: 引力波: 按性质分类 机械波: ? 横波: 按振动方向与 传播方向分类 纵波: 混合波: ——传播的是运动状态 机械振动在弹性媒质中的传播过程 电磁场周期性变化在空间的传播 ? 时空形变,以C的速度在空间传播 横波: 振动方向与传播方向垂直 振动方向与传播方向相同 如 电磁波 如 声波 如水波、地震波 按振动方向与 传播方向分类 纵波: 混合波: 各种类型的波有其特殊性, 但也有普遍的共性。 ——传播的是运动状态 注: 波动与振动是两个概念 振动是波动的基础,波动是振动的传播 例:水波、水中树叶、冲浪

二、 波动方程 1. 弹性介质的应力与应变 F l0 l 胡克定律(线性应力应变区间) 应力作功 正应力、正应变 正应力、面应力 正应变 二、 波动方程 正应力、正应变 1. 弹性介质的应力与应变 F l0 l 正应力、面应力 正应变 胡克定律(线性应力应变区间) 杨氏模量 应力作功

2. 一维简谐波的动力学方程 u A 以弹性细棒传播的纵波为例: x x+x 取棒中一小段原长为x F F x 1 F 2 F x 设 y 表示各处质点相对平衡位子的位移 在左端 x处, 应变为: 设棒的截面积为A 在右端 x+x 处, 应变为: 根据胡克定理: 左端受到左边材料的拉力为: 右端受到右边材料的拉力为: 长x的棒受合外力为:

u A x+x F x 一维简谐波的 化简得: 动力学方程 其中: 波速: 推广到三维空间: 与媒质的惯性 和弹性有关 S为质点的空间位移 1 F 2 u 一维简谐波的 动力学方程 化简得: 其中: 波速: 推广到三维空间: 与媒质的惯性 和弹性有关 S为质点的空间位移 波动方程的解为 A、j由初始条件和边界条件决定

 3. 波的物理量描述 (1) 波长: x (2) 周期 T: (3) 频率: 空间周期 在波的传播方向上,两相邻的位相差为 2 的质点间的距离 。 (2) 周期 T: 波向前传播一个波长所用的时间  x1点的振动位相比x2超前2 则: T波 T振 时间周期 (3) 频率: 单位时间内,波推进的距离中包含的完整的波长的数目.

注 (4) 波速 u: 波速的大小决定于媒质的性质 ——媒质的密度和弹性模量 (5) 波数 k: 空间圆频率 (6) 波的传播方向 u p 振动状态(位相)在媒质中的传播速度(相速) 波速的大小决定于媒质的性质 ——媒质的密度和弹性模量 注 (5) 波数 k: 在波的传播方向上 2 长度内包含的波长的个数 空间圆频率 (6) 波的传播方向 o p u x 右行波 p o u x 左行波

(7) 波阵面(波面):振动位相相同的点组成的面 平面波 波前 波前 波线 波面 波面 波线 点波源产生球面波 (8) 波前:传播在最前的波面 (9) 波线: 发自波源,与波面垂直指向波的传播方向的射线

媒质中各质点都作简谐振动,并且向一个方向传播 三、 一维平面简谐波 媒质中各质点都作简谐振动,并且向一个方向传播 不同时刻,任意质点的振动情况 1.一维简谐波的波函数 同一时刻,每一质点的振动情况 以横波为例: y 设一简谐波波源在坐标原点O处 以速度u向x轴方向传播, t=0时,波源的振动方程为: p x O x 任选一点 P (OP=x),P的振动情况? 注:波传播的是质点的振动状态 ——传播波源的位相 即: 波速=位相传播的速度=相速 P点的振动是从O点振动传过来, O点t时刻的位相,经 传到P点 P点的位相总是落 后于O点的位相

一维简谐波的波函数 P点的位相总是落后于O点的位相,相应落后时间为Dt=x/u y p x wt+j w (t-Dt)+j O点t 时刻的振动: 位相为: wt+j P点t 时刻的位相=O点t–t时刻的位相 即P点在 t 时刻的位相: w (t-Dt)+j 任意点P的振动为: 一维简谐波的波函数 t 确定,x 取不同的值,就给出传播方向上各质点在t时刻的振动状态。 x 确定, t 取不同的值,就给出确定质点(例如P点)在任意时刻的振动状态。

波函数讨论: (1)上式给出波源在原点并向x轴正方向传播的情况 o p x y 若波向x轴负方向传播,y=? o p x y l ¢ o P l y x ¢ 若波源不在原点, 例如在 处 o ¢ 向x正向传播 若向x负向传播?

* ** * ** (2) 波函数的物理意义 当x =xc=常数 x=xc A t -A —振动方程 当 t =tc=常数 t =tc x y A 表示 xc处质点随时间t 的变化规律 t -A —振动方程 ** 当 t =tc=常数 y t =tc x 给出tc时刻传播方向上 所有质点的振动状态 —媒质形成的波动状态 波形曲线 ** * x  常数,t  常数 描写不同时刻,不同位置质点的振动状态,每一时刻都有一波形曲线。 注:此波向x轴正向传播

. . * ** x = x1,t = t1,都是常数 = yc=常数 y t1 t2= t1+t u y1 x1 x2 x 表示 t1时刻,x1处质点的振动位移。 . . y1 当 t = t1+t = t2时, x1 x2 x x2= x1+x= x1+ut处质点的振动位移为: x = u t =y1 即:t2时刻,x2质点振动的位移恰是 t1时刻x1质点的位移 结论 经t时间,整个波形向前移动了一段路程x=ut 波形传播的速度 = u = 波速=相速

可将纵波的密积区看成波峰,疏区看成波谷。 讨论? (4)波函数的几种等价表式: 向 x轴正向传播的波 以上讨论对纵波也适用 可将纵波的密积区看成波峰,疏区看成波谷。 讨论? 单位时间内等位面传播的距离

3 . 5 - = m y s t Q 3 2 5 . p j ± = +  \ ) 2 cos( 6 . j p + = t y m ) x y -0.3 -0.6 20 44 t = 0.5s 例2.6.1 一平面简谐波在t =0.5s时的波形如图所示,该波以12m/s的速度沿x轴负向传播,求波函数 O 解:先求原点处的振动方程 A = 0.6m ) 2 cos( 6 . j p + = t y 原点处振动方程: 3 . 5 - = m y s t Q 3 2 5 . p j ± = +  \ 由运动趋势判断 —> 下一时刻向负的最大位移运动 3 2 5 . p j = +  12 5 p j = p ) 12 5 2 cos( 6 . + = t y 波函数为: m ) 12 5 24 2 cos( 6 . p + = x t y

四、 波的能量 x x+x u y y+△y S 1. 波的能量 (以纵波为例) 设平面简谐波 在密度为ρ的弹性细棒中传播。 1. 波的能量 (以纵波为例) 设平面简谐波 在密度为ρ的弹性细棒中传播。 设平面简谐波 在密度为ρ的弹性细棒中传播。 考察平衡位置在x—x+△x处,体积为△V的质元的能量 其动能: E—杨氏模量 其势能: 波的总能量 传播因子

(1) 每一质元m的总能量是时间和位置的函数! ——能量也以速度u随波一起传播; 结论 x = x0 Wp 固定x Wk  2A2/2 Wk、Wp均随 t 周期性变化 W k = W p o y T t 固定t u t = t0 Wk、W p随x周期分布 o x  2A2/2 Wp Wk y =0W k W p最大 y  y 最大 Wk W p为 0

. . (2) 质元m的动能和势能同相变化,而且始终具有相同数值,质元在平衡位置时,具有最大能量; 例如:如图所示某t 时刻 a、b两点处的质元 x y 某t 时刻 a . . c d b 其速度: 形变:  Wk= Wp= 0 c、d两点处的质元处在平衡位置 最大值  Wk= Wp=WMax

波是能量传播的一种形式。 进一步理解波的能量 体元V中能量密度从0到rw2A2表明外部能量的输入,当V中能量密度从rw2A2减小到0表明向外输出能量。整个过程(周期),介质不积累能量,而是传播能量。 简谐波 简谐振子 能量不守恒! 能量守恒 极大 能量极小 E=(1/2)kA2 E t Ek Ep T x o

20 <  < 20000 Hz. I下 < I < I上 (13个量级) 2. 能量密度: 媒质单位体积内的能量 3. 能流密度 (单位时间通过垂直传播方向的单位截面上的能量) 4. 波的强度 平均能流密度 (一个周期内能流密度的平均值): 波强 例2.6.2:声波强度(声强)(W/m2) 正常人听声范围 20 <  < 20000 Hz. I下 < I < I上 (13个量级)

· 声强级 单位:分贝(dB) I0=10-12 W/m2 语言:30-70dB 振幅与波阵面(无吸收的理想媒质) 平面波 球面波 1000 o 20 20000 I (W / m2) I上=10 I下=10-12 · (Hz) 以1000 Hz 时的I下作为基准声强I0 I0=10-12 W/m2 单位:分贝(dB) 语言:30-70dB 振幅与波阵面(无吸收的理想媒质) 一周期内穿过各波面(S1, S2...) 的总能量相等 平面波 球面波

五、 惠更斯原理和波的叠加原理 1. 引 言 波阵面(等位相面)、 波 前、 波 线 1. 引 言 波阵面(等位相面)、 波 前、 波 线 平面波 波前 波前 波线 波面 波线 波面 点波源产生球面波 2. 惠更斯原理:媒质中任一波阵面上的各点,都可以看作是发射子波的波源,其后任一时刻,这些子波的包迹就是新的波阵面。

球面波 平面波 . . . . . . . . 波源 . . . . . 惠更斯原理提出子波概念,并借此解决波形成过程,几何上解决光的直线传播、反射和折射现象。 注: 惠更斯原理解决了波的传播方向、而各子波的强度分布未能定量给出。还有后退波问题? 惠更斯原理对任何波动过程都是适用

六、 波的叠加原理与干涉  波的叠加原理(独立性原理) 复波 若 、 分别是它的解,则 也是它的解, 即上述波动方程遵从叠加原理。 波动方程: 是各种平面波所必须满足的线性偏微分方程。 若 、 分别是它的解,则 也是它的解, 即上述波动方程遵从叠加原理。 能分辨不同的声音正是这个原因;叠加原理的重要性在于可以将任一复杂的波分解为简谐波的组合。 复波 爆炸产生的冲击波就不满足线性方程,所以叠加原理不适用。

 波的叠加原理含义 1)波传播的独立性: 当几列波同时在同一媒质中传播时,每一列波不受同时存在的其它波的影响,各自保持原有特性(振幅、频率和波长)继续沿原来的传播方向前进。 2)波的叠加原理: 在几列波相遇的区域中,质元的振动是各个波单独在该点产生的振动的合成。 即:任一时刻质点的位移是各个波在该点引起的分位移的矢量和。 实质 波的叠加 空间不同位置处各质元振动的叠加 波的干涉 讨论叠加的一特例

4. 波的干涉 1)什么是波的干涉? 当几列波同时在某一区域传播时,使空间某些点的振动始终加强,另一些点的振动始终减弱,重迭区呈现有规则的稳定分布的现象。 2)产生的条件: 相干波源发出的波在空间相遇时产生干涉。 (1) 频率相同; 相干波源必满足 (2) 振动方向相同; (3) 相位差相同或恒定; 在相遇区,哪些点的振动是加强?哪些点是减弱?

两波源的相同方向振动的振幅相近或相等时干涉现象明显。  相干条件 补充说明: 满足相干条件的波源 称为相干波源。 两波源具有相同的频率 具有恒定的相位差 有相同振动方向 (或称为具有 相同的偏振面) 两波源的相同方向振动的振幅相近或相等时干涉现象明显。

. r 设两相干波源S1、S2,其振动方程为: P r1 u S2 S1 波 源 考察P点的振动情况 r2 有: u P点的合振动: o y A1 r w A2 波程差r 可见: 对于空间不同的点,合振动的振幅A不同, 并且A不随时间变化 ——合振幅形成稳定的分布. 这个稳定分布就称之为两列波的干涉现象。

结论 干涉加强 或干涉相长 干涉减弱 或干涉相消 1) 振幅: 干涉加强 或干涉相长 波强: 2) 振幅: 干涉减弱 或干涉相消 波强: 3)若: 则: 当: 干涉加强 当: 干涉减弱

LIGO: laser interferometer gravitational-wave observatory

AIGO: Australian International Gravitational-wave Observatory

LISA: Laser Interferometric Space Antenna