引入

为什么声音能在空气和水中传播,却不能在真空中传播?

把石子丢进水里,波纹向外扩散,水本身为什么没有跟着跑远?

为什么同一列波从空气进入水中,频率不变而波长改变?

波是振动的传播。振源在原地往复,介质质点也只在平衡位置附近振动,真正向外传递的是振动状态和能量,不是介质本身。

正文

定义

机械波是机械振动在介质中的传播过程。产生机械波需要波源和介质两个条件。

产生条件

条件作用
波源做机械振动,提供初始扰动
介质通过质点间的相互作用传递振动

没有介质就没有机械波。真空中声音无法传播,但电磁波可以,因为电磁波不需要介质。

波的分类

按振动方向与传播方向的关系:

类型振动方向例子
横波垂直于传播方向绳波、电磁波、地震 S 波
纵波平行于传播方向声波、弹簧纵波、地震 P 波

按波面形状:

类型波面例子
平面波平面远处传来的声波
球面波球面点源发出的声波

描述量

量符号含义由什么决定
波长相邻同相点之间的距离波速和频率共同决定
周期一个质点完成一次全振动的时间波源
频率单位时间内的全振动次数波源
波速振动状态传播的速度介质

关系:

频率由波源决定,波速由介质决定,波长随两者变化。换介质时频率不变,波速变,波长跟着变。

横波的特点

以横波为例,设振动沿 方向、传播沿 方向。介质质点只在 方向振动,波沿 方向推进。

这样“振动方向”和“传播方向”是两个垂直的方向,不能混为一谈。

波动方程

一维平面简谐波:

等价形式:

符号规则:

  • “”对应向右( 方向)传播
  • “”对应向左( 方向)传播

记忆方法:波向右传时,右侧质点的相位落后,所以 项取负。

相位与相位差

距离波源 处的质点,相位比波源滞后:

两类相位差:

第一类对应“时间延迟”,第二类对应“空间距离”。两者通过 相互转换。

波的能量

波传播时,介质质元同时具有动能和势能,且两者同相变化——同时达到最高、同时为零。这与单个简谐振子的能量转换(动能势能反相)不同。

平均能流密度(波的强度):

其中 为介质密度, 为波速, 为振幅。

强度与振幅平方、频率平方成正比。这说明同样振幅下,高频波携带更多能量。

通过面积 的平均能流(功率):

波的反射与折射

波从一种介质进入另一种介质时,频率不变,波速改变,因此波长改变。

现象条件规律
反射遇到界面反射角等于入射角
折射进入不同波速的介质

介质的“波阻抗” 决定反射和透射的比例:

情形结果
波阻抗差异大大部分能量被反射
波阻抗接近大部分能量透射

这就是为什么声音从空气进入水中时几乎全部反射——两者波阻抗相差约 3000 倍。

惠更斯原理与衍射

惠更斯原理:波前上每一点都可以看作新的子波源,这些子波的包络面构成新的波前。

用它可以解释:

现象解释
波的传播方向子波包络面的法线方向
衍射波遇到障碍物后,子波绕到障碍物后方
反射与折射各子波在界面处的传播速度不同

衍射的显著条件是障碍物尺寸与波长相当或更小。 越大,衍射越明显,所以低音比高音更容易“绕墙”。

波的叠加与干涉

叠加原理:几列波在同一介质中传播时,任一点的位移等于各列波单独引起位移的矢量和。

产生稳定干涉的条件(相干条件):

条件说明
频率相同否则相位差随时间变化
振动方向相同否则只有平行分量干涉
相位差恒定否则条纹不稳定

干涉加强和减弱条件( 为波程差):

同一波源分成两列时,若其中一列在反射时发生半波损失(从波密介质反射),需额外加 。

驻波是干涉的特殊情形:两列振幅相同、方向相反的波叠加,形成波节和波腹固定不动的波形。

特征说明
波节振幅为零的位置
波腹振幅最大的位置
相邻波节间距

弦乐器的振动、管乐器的空气柱振动都是驻波。

多普勒效应

定义

多普勒效应是波源与观察者相对运动时,观察者接收到的频率与波源频率不同的现象。

设波源频率 ,波速 ,观察者速度 (靠近波源为正),波源速度 (靠近观察者为正):

符号规则:观察者靠近取 ,远离取 ;波源靠近取 (分母变小,频率升高),远离取 。

情形接收频率
观察者靠近静止波源升高
观察者远离静止波源降低
波源靠近静止观察者升高
波源远离静止观察者降低
两者同向同速不变

关键区别:观察者运动改变的是单位时间接收到的波数;波源运动改变的是波长。两者效果不同,公式中的位置也不同。

常见现象:

现象说明
救护车驶过时音调骤降靠近频率高,远离频率低
天文红移星系远离,光谱向长波移动
测速雷达通过反射波频移测车速

引出

波的干涉和衍射需要什么条件?

多普勒效应如何改变观测频率?

机械波和电磁波在传播机制上有什么本质区别?