这是一个波动的世界:我们每天听到各种声音,我们熟悉水波,知道光波,我们要用到 无线电波,还听说过引力波……我们用超声波清洗眼镜,用“B超”诊断疾病……狂风巨浪 使船舶颠鍍,地震波对建筑物造成破坏……波具有能量、携带信息。我们应该认识波,了解 波的特性和规律,以便更好地利用它,并预防和减轻它造成的破坏。 第 波的形成和传播 章机械波 波的形成和传播你看过艺术体操中的“带操”表演吗?运动员手持细棒抖动彩带的 端,彩带随之波浪翻卷。这是波在彩带上传播的结果。 / 图121-1彩带飞舞,是波在彩带上传番。 取一条较长的软绳,用手握住一端拉平后向上抖动一次,可以看到绳上形成 个凸起部分,这个凸起部分向另一端传去。向下抖动一次,可以看到绳上形成一个 凹下部分,这个凹下部分也向另一端传去。连续向上、向下抖动长绳,可以看到 列波的传播 用红颜色在绳上做个标记, 在波传播的过中,这个标记怎 样运动?它是否随着波向绳的另 端移动? 图12.12沿绳传播的波 23
高中物理c选修3 一条绳子可以分成一个个小段,一个个小 Pe P pP,PPPPAP 段可以看做一个个相连的质点,这些质点之间 存在着相互作用。当手握绳端上下振动时,绳 A 端带动相邻的质点,使它也上下振动。这个质 点又带动更远一些的质点……绳子上的质点都 t 跟着振动起来,只是后面的质点总比前面的质 点迟一些开始振动。这样,绳端这种上下振动 的状态就沿绳子传出去了,从整体上看,就是 一些凹凸相间的波形。 图12.1-3更清楚地描绘了绳中质点的运动 与波的传播的关系。最上面一行中的圆点代表 绳中的质点,相邻质点之间有相互作用力,这 使得一个质点的运动会影响相邻质点的运动。 质点P在沿上下方向振动,依次牵动质点 P,P,,…使它们也运动起来在1=+r 时刻,质点P到达了最高点,而P2则刚要开始 运动。质点P到达最高点后又开始下落,当 t=T时它又回到平衡位置,而这时P刚刚 到达最高点,质点P4则刚要开始运动。其他几 个图是随后几个时刻各质点的运动情况。 图1213横波的形成 敞一黻 一组学生排成一行,从左边第一位同 学开始,周期性地下蹲、起立,第二位同学 第三位同学……重复他的动作,只是后边 的一位总比前边的一位稍迟一点点。这样 就会看到凹凸相间的波沿着队伍传播开来 而每个学生的脚并没有移动(图1214)。 运动会上的团体操表演,常常用这种图1214学生依次下蹲、起立,看起来好像波浪在前进。 办法来表现波浪。 24
横波和纵波图121-3表现的是绳子中传播的波。在这列波中质点上下振动,波向右传 播,二者的方向相互垂直。质点的振动方向与波的传播方向相互垂直的波,叫做横波 ( transverse wave)。在横波中,凸起的最高处叫做波峰( crest),凹下的最低处叫做波谷 ( trough) 我们再看另外一种波。 第 将一根长而软的弹簧水平放于光滑平面,沿 着弹簧轴线的方向不断推、拉弹簧,于是产生了 弹簧圈密集的部分和弹簧圈稀疏的部分。这样的 密集部分和稀疏部分向右传播,在弹簧上形成 章机械波 列波。 我们把一系列弹簧圈看成一系列质点,它们 之间由弹力联系着。手执弹簧左右振动起来以 图1215纵波的形成 后,前面的质点依次带动后面的质点左右振动, 但后一个质点总比前一个质点迟一些开始振动,也就是说,后一个质点振动的相位总比前 个质点落后一些。这样,弹簧一端左右振动的状态就沿弹簧传播开来。从整体上看,就是疏 密相间的波在弹簧上传播。 在图121-5所示的波中,质点左右振动,波向右传播,二者的方向在同一直线上。质点 的振动方向与波的传播方向在同一直线上的波,叫做纵波( longitudinal wave)。在纵波中, 质点分布最密的位置叫做密部,质点分布最疏的位置叫做疏部。 发声体振动时在空气中产生的声波是纵波。例如振动 的音叉,它的叉股向一侧振动时,压缩邻近的空气,使这 部分空气变密,又股向另一侧振动时,又使这部分空气变 得稀疏。这种疏密相间的状态向外传播,形成声波(图121 6)。声波传入人耳,使鼓膜振动,就引起声音的感觉。声 波不仅能在空气中传播,也能在液体、固体中传播。 图12.16声波 机城泼绳上和弹簧上的波是在绳和弹簧上传播的,水波是在水面传播的,声波通常是 在空气中传播的。绳、弹簧、水、空气等是波借以传播的物质,叫做介质( medium)。组成 介质的质点之间有相互作用,一个质点的振动会引起相邻质点的振动。机械振动在介质中传 播,形成了机械波( mechanical wave)。 介质中有机械波传播时,介质本身并不随波一起传播。例如繩上或弹簧上有波传播时, 它们的质点发生振动,但质点并不随波迁移,传播的只是振动这种运动形式。 介质中本来静止的质点,随着波的传来而发生振动,这表示它获得了能量。这个能量是 从波源通过前面的质点依次传来的,所以波在传播“振动”这种运动形式的同时,也将波源 的能量传递出去。波是传递能量的一种方式。 波不但传递能量,而且可以传递信息。我们用语言进行交流,是利用声波传递信息。广 播、电视利用无线电波传递信息,光缆利用光波传递信息。 25
高中物理c选修3 做一做 你面前有一盆平静的水。用笔尖轻点水面,观察水波的产生 使笔尖周期性地轻点同一处水面.观察水波的传播 在水面任意位置放一片纸屑,重复前面的操作,观察纸屑的运动 回答下面的问题: 1.笔尖在做什么运动?与笔尖接触的水面在做什么运动? 2.盆中其他位置的水面在做什么运动? 3.水波向外传播的过程中,纸屑怎样运动? 问题与练习 1.运列车静止在轨道上,车厢间的挂钩是松孢的,当机车开始倒退时,各车厢依次开始 运动,我们会听到“、哐……”的响声,这是独钩压紧时相邻两个车厢碰撞时发出的 如罘把椟钩从松孢到压紧的短暂过程比喻为一个冲、冲向后传播的度与机车向后 运动的速度相同吗?你认为这个现象与空气中传播的声音在哪些方面有相似之处 2.季出一个生活中的例子、说明机械波是“贗点振动”这种运动形式在介质中的传播,质 点并没有迁移 3.图12.17是某绳波形威过程的示图。质点1在外力作用下沿坚直方向做简谐运动,带 动2、3、4…各个盾点依次上下振动,把振动从绳的左端传到右端,已知1=0时,质◎ 点1开始向上运动;=♂时,1到达最上方,5开始向上运动,问 (1)1=时,贗点8、12、16的运动状态(是否运动、动方向)如何? (2)1=时,盾点8、12、16的运动状态如何? 3)t=T时,质点8、12、16的运动状态如何? -0433:3633 91011121314151617181920 图1217绳波的形成 26
波的图象 过去我们研究的是一个质点的运动情况,波却是很多质点的运动。为了表示这么多质点 第 用模坐标表示在波的传播方向上各质点的平衡位置,纵坐标表示某时刻各质点 偏离平衡位置的位移。我们还规定,在横波中,位移向上时y取正值,向下时y取负值。 把平衡时位于x2x,…的质点的位移yy2为,…画在oOy坐标平面内,得到一系被 列坐标为(x,y),(x,y),(x,y3),…的点,这些点的集合就是这一时刻波的图象(图波 122-1甲)。 甲横波的图象 乙绳上的横波 图1221横波的图象 戎的图象表示的是某个时刻的状态,就像照相机拍摄的照片, 波的图象有时也称波形图,简称波形。 如果波的图象是正弦曲线,这样的波叫做正弦波( sinusoidal wave),也叫简谐波。可 以证明,介质中有正弦波传播时,介质的质点在做简谐运动。 简谐波的波形曲线与质点的振动图象都是正弦曲线,但它们的意义是不同的。波形曲线 表示介质中的“各个质点”在“某一时刻”的位移,振动图象则表示介质中“某个质点”在 “各个时刻”的位移。 27