基础物理-机械振动与波

一、机械振动

机械振动的定义:物体或质点 在其平衡位置附近 所作有规律的 往复运动

机械振动包括简谐运动、单摆、外力作用下的振动等,简谐运动是最基本最简单的机械振动。

振动图像(质点位移-时间)是正弦曲线的振动称为简谐运动。F=-kx和简谐运动是充要条件。摆角小于10度的单摆可看作简谐运动(此时运动轨迹近似一条直线,可推导出F=-kx)。F=-kx不能看作是胡克定律因为胡克定律是弹性理论里面的。

外力作用下的振动有阻尼振动、受迫振动、共振等。

根据定义,阻尼是指任何振动系统在振动中,由于外界作用或系统本身固有的原因引起的振动幅度逐渐下降的特性,以及此一特性的量化表征。阻尼振动即具有该特性及表征的振动。

受迫振动是指一个振动物体受到了外界周期性变化的驱动力下的振动。该物体原有频率称为固有频率,然而振动稳定之后的频率等于驱动力频率。共振曲线(振幅-驱动力频率)反映受迫振动物体振幅与驱动力频率的关系,驱动力频率等于固有频率时物体振幅最大,此时称为共振。

 

二、波

波的定义:振动的传播。例如电磁振动的传播为电磁波。

波包括机械波、电磁波、物质波。

机械波的定义:机械振动在介质中的传播(即须同时存在振源和传输介质)。这里的传播指的运动形式及能量的传播,振动质点并没有随波迁移,只是在沿波的传播方向上依次开始做受迫振动。也因此,传输介质须为弹性介质。

电磁波在电磁学部分阐述,物质波暂略。

声波、水波、地震波等属于机械波,光波属于电磁波(属不属于物质波似乎有争议)。

类似于用振动图像来描绘机械振动,可以用波动图像来描绘波。对于某一时刻的波动图像,横座标表示介质中各质点的平衡位置,纵座标对应该质点偏离平衡位置的位移。

 

三、振动与波相关概念

1、机械振动

①振幅:振动物体偏离平衡位置的最大距离,反映振动的强弱,标量。

②周期、频率:完成一次全振动所需时间即周期,频率即单位时间完成全振动的次数。

               对于阻尼振动来说,虽然振幅不断减小,但是周期和频率也是固定不变的,但并不是等于其固有周期及频率。

③相位:为表示振动在某一时刻所处状态而引入的概念,以角度为单位,循环一个周期即360°。

④振荡:同振动。

2、波(以下仅针对电磁波、机械波而言)

①波长:邻近两个同相位质点间的距离。

②波速:波的传播速度。波速与传播介质、温度、湿度等环境因素有关,与波源无关。

③周期、频率:波的频率等于波源振动的频率(即上面机械振动的频率概念)。这个就与波速有区别了波速与波源无关。

               所以我们可以看出波长取决于波速和频率:λ=vT=v/f,同时由波源与传播环境决定。

④横波、纵波:

质点的振动方向与波的传播方向垂直的波称为横波、方向在一条直线上的波称为纵波。

电磁波是横波(所以光波也是横波)。不过由于电磁波的传播不需要介质,它是没有质点这个概念的,这里的垂直是指电磁波的波函数振动方向与能量传播方向垂直。

机械波则横波和纵波都有。水波是横波,声波是纵波(百度百科提到声波也有可能有横波),地震波则两者都有。

横波有着波峰波谷,纵波有着密部疏部。

对于波动图像,横波的波动图像可以看成是这一时刻各个质点所处位置的一种图像,而纵波的则不能这么看了。

⑤波面、波前、波线:

振动相位始终相同的各质点组成的面称为包络/包络面/波阵面/等相面/波面。由此也能看出波面是有无穷多个的,走在最前面的波面称为波前。

波面不一定是个平面,像水波的波面就是一个个圆。而空间一点发出的波则是一个个球面,这种波则是球面波,而波面是平面的波则是平面波,类似还有柱面波。对于声波这三种情况都有可能(当然这都是理想特殊的情形下的)。

表示波传播方向的线叫波线。波在同种均匀介质、同样的温度湿度下是按直线传播的,穿过非均匀介质时会发生下文提及的折射现象这一段的波线就不是直线了。波线是一定垂直于波面的(没有去探究是怎么证明的)。

⑥体元:

振动介质中质点的别称。应该是针对机械振动而言,电磁波的传播没有质点的概念。

⑦简谐波:

波在平面传播时,若介质中体元均按正弦或余弦规律运动,该波称为平面简谐波,简称简谐波,是最基本的波动形式。这个定义应该也是针对机械振动而言。

简谐波传播介质中的体元并非是简谐运动,而是受迫振动,上文有提及。

⑧基波、谐波:

任何周期函数都可以用正弦函数和余弦函数构成的无穷级数来表示,这种特殊的三角级数称为傅里叶级数(根据欧拉公式三角函数能化成指数形式,所以傅立叶级数也是一种指数级数)。对复杂的周期性振荡(这里所谓的复杂是指该振荡形成的波不是简谐波)用傅氏级数分解,第一项称为均值或直流分量,该项与时间无关,第二项称为基波或基本振动或一次谐波,第三项称为二次谐波,第四项称为三次谐波,以此类推,即复杂的周期性振荡形成的波包含基波和谐波。

基波的频率称为该振荡的基本频率,其它非基波的正弦波分量的频率都是基本频率的整数倍,这个倍数称为谐波次数。谐波次数大于等于2的谐波统称为高次谐波,通常意义上的谐波指的都是高次谐波。在高次谐波里谐波次数是奇数的谐波称为奇次谐波(如三次谐波、五次谐波、七次谐波等),偶数的称为偶次谐波。一般来说电路中的谐波以奇次谐波为主,引起的危害比偶次谐波大(原因未去深究)。

网上找到一个比较好的图:

 

四、波的现象

1、惠更斯原理

波面上的一点可以看作发射子波的波源,该点的振动与波源想必除了时间上有延时之外并无其它不同。此后各个子波的包络为新的波前,介质中任一处的波动状态是由各处的波动决定的,网上找到一个比较好的图:

2、波的独立传播原理

介质中同时存在几列波时,每列波保持各自的传播规律而不互相干扰。

3、波的叠加原理

介质中同时存在几列波时,在波的重叠区域里各点的振动的物理量等于各列波在该点引起的物理量的矢量和。

4、多普勒效应

发生在波源与观察者有相对运动时。在运动的波源前面,单位时间内观察者接收到的完全波的个数增多,故接收到的频率增大;在运动的波源后面,单位时间内观察者接收到的完全波的个数减少,故接收到的频率减小。

5、折射

波从一种介质射入另一种介质时,传播方向发生改变,改变程度与该波在两种介质下的波速之比有关,用折射率描述,遵从折射定律,第二种介质对第一种介质的折射率为:\frac{\sin \Theta1 }{\sin \Theta2 } = n = \frac{v1}{v2}

6、反射

波遇到障碍物之后,会返回来继续传播。所以,波从一种介质射入另一种介质时,一部分会发生折射进入另一种介质,一部分会发生反射回到原来的介质。波的反射遵从反射定律:反射波和入射波的传播方向分居反射面的法线两侧且反射角等于入射角,反射波传播方向、入射波传播方向、反射面的法线三者在同一平面上。反射面平滑的反射称为镜面反射,反之称为漫反射。

7、衍射

波遇到小孔小缝、或是圆盘之类的障碍物,波会偏离原来直线传播穿过他们并发生不同程度的弯散传播,比如著名的泊松光斑。衍射总是存在,但是得小孔小缝(或障碍物)的尺寸和波长差不多或比波长小的时候衍射现象才明显,可见光波长380~780纳米本身就小,所以一般情况留意不到什么衍射。

8、干涉

频率相同的两列波叠加,使某些区域的振动加强,某些区域的振动减弱,而且振动加强的区域和振动减弱的区域相互隔开。能产生干涉的两列波称为相干波,相干波形成的图样称为干涉图样。两列波是相干波的条件是频率相同、有恒定相位差、在叠加处质点的振动方向相同。

一种典型的现象便是驻波,两列波频率相同、传播方向相反、质点的振动方向相同(振幅未必相同,相位值也不一定正好相反),则会出现驻波现象,其中的一个波一般是另一个波的反射波。驻波的波节(波节的幅值未必是0)和波腹的位置始终不变,宏观上看上去“驻立不动”。在小提琴、吉他等固定长度的弦上会发生驻波现象。

 

 

 

参考资料:  相关术语的百度百科

                   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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