基礎物理-機械振動與波

一、機械振動

機械振動的定義:物體或質點 在其平衡位置附近 所作有規律的 往復運動

機械振動包括簡諧運動、單擺、外力作用下的振動等,簡諧運動是最基本最簡單的機械振動。

振動圖像(質點位移-時間)是正弦曲線的振動稱爲簡諧運動。F=-kx和簡諧運動是充要條件。擺角小於10度的單擺可看作簡諧運動(此時運動軌跡近似一條直線,可推導出F=-kx)。F=-kx不能看作是胡克定律因爲胡克定律是彈性理論裏面的。

外力作用下的振動有阻尼振動、受迫振動、共振等。

根據定義,阻尼是指任何振動系統在振動中,由於外界作用或系統本身固有的原因引起的振動幅度逐漸下降的特性,以及此一特性的量化表徵。阻尼振動即具有該特性及表徵的振動。

受迫振動是指一個振動物體受到了外界週期性變化的驅動力下的振動。該物體原有頻率稱爲固有頻率,然而振動穩定之後的頻率等於驅動力頻率。共振曲線(振幅-驅動力頻率)反映受迫振動物體振幅與驅動力頻率的關係,驅動力頻率等於固有頻率時物體振幅最大,此時稱爲共振。

 

二、波

波的定義:振動的傳播。例如電磁振動的傳播爲電磁波。

波包括機械波、電磁波、物質波。

機械波的定義:機械振動在介質中的傳播(即須同時存在振源和傳輸介質)。這裏的傳播指的運動形式及能量的傳播,振動質點並沒有隨波遷移,只是在沿波的傳播方向上依次開始做受迫振動。也因此,傳輸介質須爲彈性介質。

電磁波在電磁學部分闡述,物質波暫略。

聲波、水波、地震波等屬於機械波,光波屬於電磁波(屬不屬於物質波似乎有爭議)。

類似於用振動圖像來描繪機械振動,可以用波動圖像來描繪波。對於某一時刻的波動圖像,橫座標表示介質中各質點的平衡位置,縱座標對應該質點偏離平衡位置的位移。

 

三、振動與波相關概念

1、機械振動

①振幅:振動物體偏離平衡位置的最大距離,反映振動的強弱,標量。

②週期、頻率:完成一次全振動所需時間即週期,頻率即單位時間完成全振動的次數。

               對於阻尼振動來說,雖然振幅不斷減小,但是週期和頻率也是固定不變的,但並不是等於其固有周期及頻率。

③相位:爲表示振動在某一時刻所處狀態而引入的概念,以角度爲單位,循環一個週期即360°。

④振盪:同振動。

2、波(以下僅針對電磁波、機械波而言)

①波長:鄰近兩個同相位質點間的距離。

②波速:波的傳播速度。波速與傳播介質、溫度、溼度等環境因素有關,與波源無關。

③週期、頻率:波的頻率等於波源振動的頻率(即上面機械振動的頻率概念)。這個就與波速有區別了波速與波源無關。

               所以我們可以看出波長取決於波速和頻率:λ=vT=v/f,同時由波源與傳播環境決定。

④橫波、縱波:

質點的振動方向與波的傳播方向垂直的波稱爲橫波、方向在一條直線上的波稱爲縱波。

電磁波是橫波(所以光波也是橫波)。不過由於電磁波的傳播不需要介質,它是沒有質點這個概念的,這裏的垂直是指電磁波的波函數振動方向與能量傳播方向垂直。

機械波則橫波和縱波都有。水波是橫波,聲波是縱波(百度百科提到聲波也有可能有橫波),地震波則兩者都有。

橫波有着波峯波谷,縱波有着密部疏部。

對於波動圖像,橫波的波動圖像可以看成是這一時刻各個質點所處位置的一種圖像,而縱波的則不能這麼看了。

⑤波面、波前、波線:

振動相位始終相同的各質點組成的面稱爲包絡/包絡面/波陣面/等相面/波面。由此也能看出波面是有無窮多個的,走在最前面的波面稱爲波前。

波面不一定是個平面,像水波的波面就是一個個圓。而空間一點發出的波則是一個個球面,這種波則是球面波,而波面是平面的波則是平面波,類似還有柱面波。對於聲波這三種情況都有可能(當然這都是理想特殊的情形下的)。

表示波傳播方向的線叫波線。波在同種均勻介質、同樣的溫度溼度下是按直線傳播的,穿過非均勻介質時會發生下文提及的折射現象這一段的波線就不是直線了。波線是一定垂直於波面的(沒有去探究是怎麼證明的)。

⑥體元:

振動介質中質點的別稱。應該是針對機械振動而言,電磁波的傳播沒有質點的概念。

⑦簡諧波:

波在平面傳播時,若介質中體元均按正弦或餘弦規律運動,該波稱爲平面簡諧波,簡稱簡諧波,是最基本的波動形式。這個定義應該也是針對機械振動而言。

簡諧波傳播介質中的體元並非是簡諧運動,而是受迫振動,上文有提及。

⑧基波、諧波:

任何週期函數都可以用正弦函數和餘弦函數構成的無窮級數來表示,這種特殊的三角級數稱爲傅里葉級數(根據歐拉公式三角函數能化成指數形式,所以傅立葉級數也是一種指數級數)。對複雜的週期性振盪(這裏所謂的複雜是指該振盪形成的波不是簡諧波)用傅氏級數分解,第一項稱爲均值或直流分量,該項與時間無關,第二項稱爲基波或基本振動或一次諧波,第三項稱爲二次諧波,第四項稱爲三次諧波,以此類推,即複雜的週期性振盪形成的波包含基波和諧波。

基波的頻率稱爲該振盪的基本頻率,其它非基波的正弦波分量的頻率都是基本頻率的整數倍,這個倍數稱爲諧波次數。諧波次數大於等於2的諧波統稱爲高次諧波,通常意義上的諧波指的都是高次諧波。在高次諧波里諧波次數是奇數的諧波稱爲奇次諧波(如三次諧波、五次諧波、七次諧波等),偶數的稱爲偶次諧波。一般來說電路中的諧波以奇次諧波爲主,引起的危害比偶次諧波大(原因未去深究)。

網上找到一個比較好的圖:

 

四、波的現象

1、惠更斯原理

波面上的一點可以看作發射子波的波源,該點的振動與波源想必除了時間上有延時之外並無其它不同。此後各個子波的包絡爲新的波前,介質中任一處的波動狀態是由各處的波動決定的,網上找到一個比較好的圖:

2、波的獨立傳播原理

介質中同時存在幾列波時,每列波保持各自的傳播規律而不互相干擾。

3、波的疊加原理

介質中同時存在幾列波時,在波的重疊區域裏各點的振動的物理量等於各列波在該點引起的物理量的矢量和。

4、多普勒效應

發生在波源與觀察者有相對運動時。在運動的波源前面,單位時間內觀察者接收到的完全波的個數增多,故接收到的頻率增大;在運動的波源後面,單位時間內觀察者接收到的完全波的個數減少,故接收到的頻率減小。

5、折射

波從一種介質射入另一種介質時,傳播方向發生改變,改變程度與該波在兩種介質下的波速之比有關,用折射率描述,遵從折射定律,第二種介質對第一種介質的折射率爲:\frac{\sin \Theta1 }{\sin \Theta2 } = n = \frac{v1}{v2}

6、反射

波遇到障礙物之後,會返回來繼續傳播。所以,波從一種介質射入另一種介質時,一部分會發生折射進入另一種介質,一部分會發生反射回到原來的介質。波的反射遵從反射定律:反射波和入射波的傳播方向分居反射面的法線兩側且反射角等於入射角,反射波傳播方向、入射波傳播方向、反射面的法線三者在同一平面上。反射面平滑的反射稱爲鏡面反射,反之稱爲漫反射。

7、衍射

波遇到小孔小縫、或是圓盤之類的障礙物,波會偏離原來直線傳播穿過他們併發生不同程度的彎散傳播,比如著名的泊松光斑。衍射總是存在,但是得小孔小縫(或障礙物)的尺寸和波長差不多或比波長小的時候衍射現象才明顯,可見光波長380~780納米本身就小,所以一般情況留意不到什麼衍射。

8、干涉

頻率相同的兩列波疊加,使某些區域的振動加強,某些區域的振動減弱,而且振動加強的區域和振動減弱的區域相互隔開。能產生干涉的兩列波稱爲相干波,相干波形成的圖樣稱爲干涉圖樣。兩列波是相干波的條件是頻率相同、有恆定相位差、在疊加處質點的振動方向相同。

一種典型的現象便是駐波,兩列波頻率相同、傳播方向相反、質點的振動方向相同(振幅未必相同,相位值也不一定正好相反),則會出現駐波現象,其中的一個波一般是另一個波的反射波。駐波的波節(波節的幅值未必是0)和波腹的位置始終不變,宏觀上看上去“駐立不動”。在小提琴、吉他等固定長度的弦上會發生駐波現象。

 

 

 

參考資料:  相關術語的百度百科

                   https://wenku.baidu.com/view/746942abfbb069dc5022aaea998fcc22bcd14309.html?from=search

                   http://k.sina.com.cn/article_6200133661_1718e881d001001ubz.html

                   https://wenku.baidu.com/view/b9dc208f6529647d272852d8.html

                   https://www.zybang.com/question/677d9bafec7df56169daa8dce6a18f30.html

                   https://www.docin.com/p-1456158210.html

                   https://wenku.baidu.com/view/9770068477a20029bd64783e0912a21615797f16.html?from=search

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