机械波的产生和传播

一般的波，如水波、地表波等，都能分解为横波
与纵波来进行研究。
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17.1 机械波的产生和传播
第17章 机械波
在机械波中，横波只能在固体中出现；纵波 可在气体、液体和固体中出现。
振动可以在弹性介质中传播，是因为介质有 弹性的相互作用，相互作用的形式不同，形成的 波也不同。
如果介质有切变弹性，它就能传播横波；如 果介质有容变（体变）弹性，它就能传播纵波。
2） 波动是振动状态的传播或是位相的传播， 表现为波形的向前推进。
3） 各质元振动周期与波源的振动周期相同， 与介质无关。
4） 沿波的传播方向，各质元的位相依次落后。
后开始振动的质元比先开始振动的质元，在 步调上要落后一段时间，即有相位的落后。
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17.1 机械波的产生和传播
第17章 机械波
3、波的几何描述（波线 波面 波前） 波线（波射线）—— 波的传播方向。 波面或同相面 —— 振动相位相同的点连成的面。 波前或波阵面 —— 最前面的波面。
Ay
u
O
wk.baidu.com
x
-A
波长 ：沿波的传播方向，两个相邻的、相
位差为 2π 的振动质点之间的距离，即一个完整
波形的长度。 波长描述了波在空间上的周期性。
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17.1 机械波的产生和传播
第17章 机械波
周期 T ：波前进一个波长的距离所需要
的时间。
频率 ：周期的倒数，即单位时间内波
动所传播的完整波的数目。
之 不需介质。
处
两 类
能量传播
波 反射
的 共
折射
同 干涉
特 征
衍射
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17.1 机械波的产生和传播
第17章 机械波
一 机械波的形成
（自学）
问题：产生机械波的条件是什么？
二 横波与纵波
问题：什么是横波、什么是纵波？ 问题：波动过程的特征？
三 波长 波的周期和频率 波速
问题：机械波从一种介质进入另一种 介质，其波长、波速和频率这三个物理量 中，哪些会改变，哪些不变？
比如，只有固体能产生切变，所以横波只能在 固体中传播；而固体、液体和气体都可以产生容变 （体变），所以纵波可以在所有的物质中传播。
例外：绳上波、水波是在张力的作用下形成的。
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17.1 机械波的产生和传播
* 物体的弹性形变
第17章 机械波
物体在一定限度的外力作用下形状和体积发 生改变，当外力撤去后，物体的形状和体积能完 全恢复原状的形变。
2、横波与纵波
横波：质点振动方向与波的传播方向相垂直的波。
（仅在固体中传播，如绳波。 ）
➢ 特征：具有交替出现的波峰和波谷。
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17.1 机械波的产生和传播
第17章 机械波
纵波：质点振动方向与波的传播方向互相平行的波。
（可在固体、液体和气体中传播。如声波，弹簧波。 ）
➢ 特征：波形具有交替出现的密部和疏部。
17.1 机械波的产生和传播
第17章 机械波
17.1 机械波的产生和传播
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17.1 机械波的产生和传播
波动是振动的传播过程。 振动是激发波动的波源。
第17章 机械波
波动
机械波 机械振动在弹性介质中的传播。 电磁波 交变电磁场在空间的传播。
两
类 ❖机械波的传播需
波 的
有传播振动的介质;
不 同
❖电磁波的传播可
1 T
每隔一个周期的时间，介质中各质点的振动 状态（相位）就重复一次。
周期描述了波在时间上的周期性。
波的周期（或频率）仅由波源决定，就等于 波源振动的周期（或频率）。
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17.1 机械波的产生和传播
第17章 机械波
u 波速 ：波动过程中，某一振动状态（即
振动相位）单位时间内所传播的距离（相速）。
问题：波速和介质的振动速度有何区别？
四 波线 波面 波前 3
17.1 机械波的产生和传播
第17章 机械波
一、机械波的形成
机械波：机械振动在弹性介质中的传播。
1、产生条件：1）波源；2）弹性介质。
波源
机
+
弹性作用
械
介质
波
注意
波是运动状态的传播，是能量的 传播，介质的质点并不随波传播。
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17.1 机械波的产生和传播
第17章 机械波
弹性介质是能够传播机械振动的介质，是由 弹性力作用的连续介质。
比如，气体、液体或固体。
弹性介质中一个质元的振动，由于弹性力的 作用将引起邻近质元的振动，振动相继传播到后 面各相邻质点。于是振动由近及远、由此及彼地 传播开去，从而形成机械波。
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17.1 机械波的产生和传播
第17章 机械波
① 长变
F
l
l
F
S
l 称为应变或胁变 l
F 称为应力或胁强
S
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17.1 机械波的产生和传播
第17章 机械波
在弹性限度范围内，应力与应变成正比
F Y l Y 称为杨氏模量 Sl
② 切变
S
d
相对面发生相对滑移
F
b
F F 切变的应力或胁强
S
S
arctan d –切变的应变或胁变
b
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17.1 机械波的产生和传播
第17章 机械波
在弹性限度范围内，应力与应变成正比
F G
S
G称为切变弹性模量
③ 容变
p p p
V 容变的应变 V
p p
在弹性限度范围内，
p
压强的改变与容变应
变的大小成正比。
p p p
p B V V
B称为容变弹性模量
p p p
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17.1 机械波的产生和传播
第17章 机械波
如果波动中使介质各部分振动的回复力是 弹性力，则称为弹性波。
u
T
u Tu
注意
周期或频率只决定于波源的振动! 波速只决定于媒质的性质！
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17.1 机械波的产生和传播
第17章 机械波
u *波速 与介质的性质有关， 为介质的密度。
u
固体
u
液、气体 u
G 切变模量
E 弹性模量
K体积模量
横波 纵波
如声音的传播速度
343 m s 空气，常温 4000 m s 左右，混凝土19
17.1 机械波的产生和传播
波前 波面 波线
平面波（波面为平面的波） 球面波（波面为球面的波） 在各向同性媒质中，波线恒与波面垂直。
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17.1 机械波的产生和传播
波线 波面 波前 波前
波面
*
第17章 机械波
球面波
波线
平面波
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17.1 机械波的产生和传播
第17章 机械波
二、描述波动的物理量 （波长 波的周期和频率 波速）
弹性力：有正弹性力（压、张弹性力）和切弹 性力；液体和气体弹性介质中只有正弹性力而 没有切弹性力。
横波在介质中传播时，介质中产生切变， 只能在固体中传播。
纵波在介质中传播时，介质中产生容变， 能在固体、液体、气体中传播。
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17.1 机械波的产生和传播
第17章 机械波
波动过程的特征：
1） 各质元只在各自的平衡位置附近振动，本 身并不随波前进。