大学物理(II)下册:05-波动(驻波)
大学物理波动与声学知识点汇总
大学物理波动与声学知识点汇总在大学物理的学习中,波动与声学是十分重要的部分。
它们不仅在物理学中有着基础且关键的地位,也在众多实际应用领域发挥着重要作用。
下面让我们一起来梳理一下这部分的重要知识点。
一、波动的基本概念波动是一种常见的物理现象,它是振动在介质中的传播过程。
(一)机械波的产生条件机械波的产生需要两个条件:一是要有做机械振动的物体,即波源;二是要有能够传播这种机械振动的介质。
(二)横波与纵波根据质点振动方向和波的传播方向的关系,波可以分为横波和纵波。
横波中质点的振动方向与波的传播方向垂直,例如电磁波。
纵波中质点的振动方向与波的传播方向平行,像声波就是典型的纵波。
(三)波长、波速和频率波长是指相邻两个同相点之间的距离。
波速是指波在介质中传播的速度,它由介质的性质决定。
频率则是波源振动的频率,等于单位时间内波源完成全振动的次数。
三者之间的关系为:波速=波长×频率。
二、波动方程波动方程描述了波在空间和时间上的变化规律。
(一)简谐波的波动方程对于简谐波,其波动方程可以表示为:y = A sin(ωt kx +φ) 或 y =A cos(ωt kx +φ) ,其中 A 为振幅,ω 为角频率,k 为波数,φ 为初相位。
(二)波动方程的物理意义波动方程反映了在不同时刻、不同位置处质点的位移情况。
通过波动方程,可以了解波的传播特性和质点的振动规律。
三、波的能量波在传播过程中伴随着能量的传递。
(一)能量密度能量密度是指单位体积内波所具有的能量。
(二)平均能量密度在一个周期内能量密度的平均值称为平均能量密度。
(三)能流和能流密度能流是指单位时间内通过垂直于波传播方向的某一面积的能量。
能流密度则是指通过垂直于波传播方向单位面积的能流,也称为波的强度。
四、波的干涉当两列波相遇时,会产生干涉现象。
(一)干涉的条件两列波的频率相同、振动方向相同、相位差恒定,才能产生稳定的干涉现象。
(二)干涉加强和减弱两列波在相遇点的相位差为2kπ(k 为整数)时,干涉加强;相位差为(2k +1)π 时,干涉减弱。
大学物理驻波
以柔软细绳中的横波为例
⏹波的能量密度w:波传播时,单位体积介质中所
储存的波的能量.
⏹波的能流密度I:波传播时,单位时间内通过垂
直于波的传播方向单位面积的
体积介质中所波的能量.
⏹对于简谐波,两者关系为:I=uw
简谐波的能量密度和能流密度
⏹机械波的平均能量密度和平均能流密度:
都与振幅平方成正比,与频率平方成正比.
⏹电磁波的平均能量密度和平均能流密度:
都与振幅平方成正比,与频率无关.
⏹在介质中任意一点,简谐机械波的动能与势能都是同相位振动的;在真空中传播的简谐电磁波的电场能和磁场能在任意一点都是同相位振动的.
波的叠加原理
当几列波在介质中某点相遇时,该点的振动位移是各列波单独存在时在该点引起的位移的叠加
波的叠加原理举例驻波(standing waves)
122cos cos x y y y A t u
ωω=+=1cos ()x y A t u ω=-2cos ()x y A t u
ω=+
驻波
⏹形成驻波的条件:两列简谐波
✓频率相同;
✓振幅相同;
✓振动方向相同;
✓在同一媒介中相向传播,叠加而形成逐波.⏹驻波的现象:
✓相邻波节(或波腹)的间距为二分之一波长;✓相邻波节与波腹的间距为四分之一波长;
✓相邻两波节之间各点(称为一段)同相位振动;✓相邻两段的振动相位差为π.
驻波举例
位于A,B两点的两个简谐波源的振幅相同,频率都是100Hz,相位差为π.若A,B相距30m,波速为400m/s,求AB连线上因叠加而静止的各点的位置.
波的叠加原理举例驻波(standing waves)
拍(beats)。
大学物理波动的知识点总结
大学物理波动的知识点总结一、波动的基本概念1.波动的定义波动是一种可以在介质中传播的能量或者信息的方式。
波动既可以是物质的波动,比如水波、声波等,也可以是场的波动,比如电磁波等。
根据波的传播方式和规律,波动可以分为机械波和电磁波。
2.波动的特点波动具有传播性、干涉性、衍射性和波粒二象性等特点。
波动的传播性表明波动能够沿着介质传播,干涉性指波动能够互相叠加,并产生干涉现象,衍射性说明波动能够弯曲传播并产生衍射现象,波粒二象性则是指波动既具有波动特征,也具有粒子特征。
3.波的基本要素波的基本要素包括振幅、频率、波长、波速等。
振幅是波动能量的大小,频率是波动的振动周期,波长是波动在空间中占据的长度,波速是波动在介质中的传播速度。
二、波动方程1.一维波动方程一维波动方程描述了一维波动在空间和时间上的变化规律。
一维波动方程的基本形式为:∂²u/∂t²=v²∂²u/∂x²其中u(x,t)表示波动的位移,v表示波速,t表示时间,x表示空间坐标。
2.二维波动方程二维波动方程描述了二维波动在空间和时间上的变化规律。
二维波动方程的基本形式为:∂²u/∂t²=v²(∂²u/∂x²+∂²u/∂y²)其中u(x,y,t)表示波动的位移,v表示波速,t表示时间,x和y表示空间坐标。
3.波动方程的解波动方程一般是偏微分方程,其解一般通过分离变量、叠加原理、傅里叶变换等方法求解。
对于特定的边界条件和初始条件,可以得到波动方程的具体解。
三、波动的性质1.反射和折射波动在介质表面的反射和折射是波动的基本性质之一。
反射是波动从介质边界反射回来的现象,折射是波动通过介质界面时改变传播方向的现象。
2.干涉和衍射干涉是波动相遇并相互叠加的现象,衍射是波动通过小孔或者障碍物后产生的弯曲传播的现象。
干涉和衍射都是波动的波动性质。
解析大学物理中的波动力学理论
解析大学物理中的波动力学理论波动力学是大学物理课程中重要的一部分,涉及到波的传播、干涉、衍射、驻波等现象。
本文将对大学物理中的波动力学理论进行解析。
一、波动力学基础概念在开始介绍波动力学理论之前,有必要先说明一些基础概念。
波是一种能量传播的方式,它通过媒介传递能量,而不传递物质。
波的重要性源于其在自然界中广泛存在的现象,如光的传播、声音的传播等。
二、波的分类波可以分为机械波和电磁波两大类。
机械波是指需要介质进行传播的波,如水波、声波等;而电磁波是不需要介质进行传播的波,如光波、无线电波等。
本文将主要关注机械波的波动力学理论。
三、波动方程波动力学的核心是波动方程,通过该方程可以描述波的传播过程。
一维波动方程可以表示为:∂^2ψ/∂x^2 = (1/v^2) ∂^2ψ/∂t^2其中,ψ表示波的振幅,x表示位置,t表示时间,v表示波速。
四、波的传播波动力学理论告诉我们,波的传播方式可以分为纵波和横波。
纵波是指波动方向与振动方向平行的波,如声波;横波是指波动方向与振动方向垂直的波,如水波。
五、波的干涉和衍射波动力学理论还涉及到波的干涉和衍射现象。
干涉是指两个或多个波相遇时产生的干涉条纹现象,其实质是波的叠加。
典型的干涉现象包括双缝干涉和薄膜干涉。
衍射是波遇到障碍物时发生的弯曲现象,其实质是波在障碍物周围传播时受到阻碍而发生弯曲。
六、波的驻波驻波是指在一定条件下,两个同频率、相同振幅、但传播方向相反的波相互叠加形成的波动现象。
驻波具有节点和腹节点,节点处的振幅为零,腹节点处的振幅最大。
典型的驻波现象包括弦上的驻波和声管中的驻波。
七、波动力学的应用波动力学理论在实际生活中有广泛的应用。
例如,在音乐产生中,乐器发出的声音可通过波动力学理论解释;在光学中,通过衍射和干涉现象可以制造出各种精密的光学器件;在地震学中,可以通过地震波的传播来了解地球内部的结构等。
总结:通过对大学物理中的波动力学理论进行解析,我们了解到波的基础概念、分类、波动方程、传播方式以及干涉、衍射、驻波等现象。
驻波
相邻两波腹距离
3.相位特点
各质点作振幅为 2 A0 cos( 2 ) ,角频率为ω的简谐运动。
2 A0 cos2x / cost y 2 A0 cos2x / cost
x
cos2x / 0 cos2x / 0
0.4 sin x sin 200t
(3)在O与P间各个波节和波腹点的坐标.
y驻 0.4 sin x sin t
波节点的坐标满足:
x k , k取整数
考虑x的范围解得:x=0,1,2,3,4,5,6 波腹点的坐标满足: x 2k 1 , k取整数 2 1 3 5 7 9 11 考虑x的范围解得: x , , , , , . 2 2 2 2 2 2
作业:P172 (6.22)(6.25)
波节 (1) 两相邻波节间的点(同一段的点)
cos(2 x
x
) 符号相同,相位相同。
驻波波形曲线 分为很多“分段” (每段长λ/2 );
(2) 波节两边的点(相邻段的点)
cos( 2
)
符号相反,相位相反。
驻波相位不传播 ---"驻"字的第二层含义。
4.能量特点 (1)动能: 当各质点同时到达平衡位置时:介质无形变,势能 为零,此时驻波能量为动能。波腹处动能最大,驻 波能量集中在波腹附近。 (2)势能: 当各质点同时到达最大位移时:动能为零,此时驻波 能量为势能。波节处形变最大,势能最大,能量集中 在波节附近。 (3)结论: 动能、势能不断在波腹附近和波节附近间相互转换, 能量交替传递。
(素材取自酷6网)
二 、驻波方程
设有两列同振幅相干波在同一直线上相向传播
驻波_精品文档
t = 5T / 8
t = 3T / 4
t = 7T / 8
t = T
驻波的形成
在同一坐标系
XOY 中
正向波
反向波
驻波
点击鼠标,观察在一个周期T 中不同时刻各波的波形图。
每点击一次,
时间步进
正向波
反向波
合成驻波
驻波方程
为简明起见,
设
改写原式得
并用
由
正向波
反向波
驻 波 方 程
注意到三角函数关系
得
(1)振动滞后时间、相位和位移;
(2)振动滞后相位、时间和位移;
(3)振动位移及滞后时间、相位;
(4)振动滞后相位、振动位移及振动滞后时间。
请在放映状态下点击你认为是对的答案
平面谐波的方程为 y = A cos ω ( t - )
u
x
则
u
x
和
分别代表
u
x
ω
y
结束选择
驻波
波干涉是特定条件下的波叠加,
驻波是特定条件下的波干涉。
条 件:
两列相干波
振幅相等
相向传播
发生干涉
现 象:
正向行波
反向行波
干涉区域中形成的驻波
各质点的振幅分布规律恒定
形成一种非定向传播的波动现象
max
min
0
波腹
波节
t = 0
t = T / 8
t = T / 4
t = 3T / 8
t = T / 2
驻 波 方 程
波腹、波节位置
为简明起见,
设
改写原式得
并用
由
正向波
反向波
驻 波 方 程
大学物理——波动
⼤学物理——波动If you only do what you can do you’ll never be more than you are now.如果你只做你⼒所能及的事,你就没法进步。
⼤学物理 —— 波动留⽩⽬录1. 波动波动: 简称为波,振动或扰动在空间以⼀定的速度传播。
机械波: 机械振动或扰动在介质中的传播。
如声波、⽔波等。
电磁波: 变化电场和变化磁场在空间的传播。
如⽆线电波、光波等。
波动是振动状态的传播,不是介质的传播。
(机械波只能在介质中传播,电磁波不需要)简谐波: 简谐振动在空间的传播。
波的叠加性: ⼲涉和衍射。
2. 机械波的⼏个概念机械波产⽣的条件: 波源和弹性介质。
机械波的分类:横波: 质点振动⽅向与波的传播⽅向向垂直的波。
仅在固体中传播特征: 具有交替出现的波峰和波⾕。
横波: 质点振动⽅向与波的传播⽅向互相平⾏的波。
可以在固液⽓中传播特征:具有交替出现的密部和疏部。
图源知乎波线: 沿波传播的⽅向画⼀些带箭头的线。
波⾯: 波源在某⼀时刻的振动相位同时到达的各点所组成的⾯,也称同相⾯。
波前: 最前⾯的波⾯。
平⾯波和球⾯波在各向同性均匀介质中,波线和波⾯垂直。
相关物理量:波长: 同⼀波线上两个相邻、相位差为 2π 的质点之间的距离。
周期: 波前进⼀个波长的距离所需要的时间。
频率: 周期的倒数,单位时间内波所传播的完整波的数⽬。
波速: 单位时间振动传播的距离,级振动相位的传播速度。
1. 波的周期和频率和介质的性质⽆关,⼀般与波源的振动周期和频率相同。
2. 波速是相位传播的速度,也称相速度,⼤⼩取决于介质的性质,与波的频率⽆关。
3. 波长与波源和介质都有关,同⼀频率的波,在不同介质中传播时波长⼀般不同。
3. 平⾯简谐波平⾯波: 波阵⾯为平⾯的波,波源在⽆限远出。
时间上的⽅程:相位上的⽅程:4. 波的能量4.1 物质的弹性应⼒ : 每单位⾯积的回复⼒线应变:物体长度的相对变化量应⼒与线应变成正⽐杨⽒模量:上式中的⽐例系数E。
大学物理课件--驻波-[福州大学...李培官]
1 2 π (k ) π 2
k 0,1,2,
k 0,1,2,
波腹 波节
1 k 2 2
相邻波腹(节)间距为
2
驻波条件: Ln
2
, n 1,2......
7
2)每一时刻驻波都有确定的波形,此波形既不左 移,也不右移,没有振动状态和相位的传播,故称为驻 波。
因为两相邻波节之间的间隔为/2 。
(3)因为在x=7m处为波密反射点,该处为波节点。
40 uT 20 4(m) 10
所以在0<x<7m区间的干涉相消点为:
2
y1
O
y2 7
x ( m)
x 1,3,5,7(m)
20
Tips for Better Life
for 2014
14 x y反 A cos[ 10 (t ) ] 20 x A cos[ 10 (t ) 7 ]
20
19
(2)在x=6m处介质质元的振动方程
6 6 y6 A cos( 10t ) A cos( 10t 7 ) 2 2 y6 2 A cos( 10t ) 即:
D C
6
讨论
驻波方程 y 2 A cos 2π cos 2π t x 1)振幅 2 A cos 2π 随 x 而异, 与时间无关.
cos 2 π x
x
x k π 1 2π
0
x
x
k
2
k 0,1, Amax 2 A
k 0,1,2 Amin 0
x
x 2 A cos 2 π cos 2 πt
大学物理课件驻波
3、驻波的特征: (1)波节和波腹:
y y1 y2 2 Acos 2
2
x
波节:振幅为零的点称为波节。
cos 2ft
x ( 2k 1) 的各点。 即: 2 波节的位置为: x ( 2k 1) k 0 , 1, 2... 4 两相邻波节间的距离 / 2。
(2)根据波的叠加原理,合成波的波函数为:
t x y2 Acos[2 ( ) ] T
t x t x y y1 y2 Acos[2 ( )] Acos[2 ( ) ] T T x t x t 2 Acos(2 )cos(2 ) 2 Asin( 2 )sin( 2 ) 2 T 2 T
| 2 Acos
2
x | 0
波腹:振幅最大的点称为波腹。
波腹的位置为: x k k 0 , 1, 2... 2 两相邻波腹间的距离 / 2。 两相邻波节与波腹间的距离/4。 因此可用测量波腹间的距离,来确定波长。
| cos
2
x | 1
即:
2
x k 的各点。
波疏媒质
波密媒质
疏 u u
密
半波损失
形成的驻波在界面处是波节。
实验 结果:
波疏媒质
波密媒质
界面处是波节
波密媒质
理论结果:
u
2
波疏媒质
u
界面处是 波腹
界面处是波腹
y1 Acos( t
r1 )
y2 Acos( t
无半波损失
2
r1 )
0
u
u
界面处是波节
大学物理课件-驻波
波源的振动通过介质传递到另一 端,并被反射回来,形成驻波。
分类
按形成方式分类
可分为自由驻波和强制驻波。自由驻 波是由自由振动的波源产生的,而强 制驻波则是由外部力作用下的振动系 统产生的。
按节点数量分类
可分为一阶驻波、二阶驻波等。节点 数量越多,波形越复杂。
02
驻波的形成原理
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
液体和气体介质中的驻波
在液体和气体介质中,由于声速较低,驻波的波长较 长。与固体介质中的驻波相比,液体和气体中的驻波 振幅分布更加均匀,能量分布也更加广泛。
不同形状的驻波
要点一
矩形驻波
矩形驻波是指沿着传播方向上存在周期性变化的波形。在 矩形驻波中,波腹和波节的位置是固定的,振幅和相位在 空间中呈现周期性变化。
大学物理课件-驻波
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
• 驻波的概念 • 驻波的形成原理 • 驻波的应用 • 驻波实验 • 驻波的数学模型与计算 • 驻波的扩展知识
目录
CONTENTS
01
驻波的概念
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
波腹
在驻波中,有些位置的振动幅度最大,这些位置被称为波腹。波腹的位置由介质 和障碍物的性质共同决定。
弦的振动与驻波的关系
弦的振动
弦的振动可以产生驻波。当弦以一定的频率振动时,产生的 波动会在弦的两端反射,形成驻波。
弦的长度与驻波的关系
弦的长度必须是半波长的整数倍才能产生驻波。如果弦的长 度不是半波长的整数倍,则无法形成驻波。
乐器发声原理
弦乐器
大学物理波动3
z大—— 波密媒质 z小—— 波疏媒质
密度 有时说成
(2)反射点
“界面”更 合适
对⊥入射,可以证明(过程不要求):
①波密波疏,反射点无相位突变,形成驻波
时该处为波腹;
②波疏波密,反射点相位突变,形成驻波
时该处为波节。
反射点相位突变,相当于/2的波程差,
常称反射波有“ 半波损失 ”。
形成驻波时 固定端—— 波节 自由端—— 波腹
图(1)
弦长L应满足:
L
n
λ 2
( n 1,2,3
)
uu
νn
λ
n 2L
称为弦的固有频率 (本征频率)
L
只有本征频率才可以在弦上形成驻波。
n=1——基频 n2——谐频
自由
(u F ρl , F — 张力, ρl — 质量线密度)
图(2)
对图(2)
每种可能的稳定振动方式称作系统的一个 简正模式(normal mode).
驻波是分段的振动。
3、驻波的特点
(1)频率特点: 各质点同频率。
(2)振幅特点: 波节点 (Nodes): 静止
波腹点 (Anti-nodes): 振幅最大
2Acos 2π x 0 x 奇数 λ
λ
4
2Acos 2π x 2A x 偶数 λλ4源自两相邻波腹(节)间距为 /2.
(3)相位特点:
写成-亦可
y2
A cos[ (t
L u
x
)
2L
]
若反射点为自由端, 2
则无相位突变,这 一项就没有。
u
y2
A cos (t
2x
4L
)
例5、图中oo′是内径均匀的玻璃管.A是能在管内 滑动的底板,在管的一端o附近放一频率为224Hz 的持续振动的音叉,使底板A从o逐渐向o′移动.当 底板移到o1时管中气柱首次发生共鸣.当移到o2时 再次发生共鸣, o1与o2间的距离为75.0cm.则声速 为_________.
大学物理-驻波
波腹
波节
相邻波节(或波腹)间距:
x
xk 1 xk
2
驻波的特性
相位特性:
1.相邻两节点间各点振动相位相同 2.同一波节两侧各点振动相位相反 驻波中不存在相位的传播
“驻”字的第二层含义”
驻波的特性
能量特性:
能量在波腹和波节 之间振荡,动能势和能 势能相互转化。
动能
驻波中不存在相位的传播
驻波波函数:y y1 y
Acos[2(vt x / )] Acos[2(vt x / )]
(2Acos 2 / x )cos2vt =A,x cos t
振幅
相位
驻波的特性 驻波波函数:y (2Acos 2 x )cos2vt
频率特性: 各点都做同频率的简谐振动 波形特性: 波形余弦分布,原地起伏变化但不移动
驻波波形不移动
“驻”字的第一层含义”
驻波的特性
振幅特性: 驻波波函数:y (2Acos 2 x )cos2vt 振幅: A, 2A cos 2 x
A,
0 波节位置:xk
2k
1
4
,k
0,1,2
A, 2A
波腹位置:xk
2K
,k
4
0,1,2
驻波的特性
“驻”势字能的第三层含义”
超声驻波悬浮 超声驻波 y (2Acos 2 x )cos2vt
声压驻波 声辐射力
p
L(p0ckos
2
2
x )cos2t
F
F0sin(2
2
x)
声辐射力 水滴
大学物理课件-驻波
开放和闭合端口
空气柱的开放和闭合端口决定了驻波的波腹和波节 的位置。
立方腔中的驻波
1
驻波形成
立方腔中反射的声波导致波的干涉和驻波的形成。
2
声音共振
特定频率的声波在立方腔内共振,增强声音的音量。
3
声学应用
立方腔的驻波效应在音响系统和乐器设计中发挥重要作用。
电磁波中的驻波
1 电磁辐射
电磁波在空间中传播,形成长波和短波。
驻波的产生条件
1 多次反射
波在两个方向上反射多次,产生定点振动。
2 波长符合条件
波的波长与反射体长度符合特定条件,形成驻波。
柔性弦上的驻波
驻波现象
当弦振动频率与波长匹配时,在弦上产生驻波现象。
节点和反节点
驻波中存在固定的波节和波腹位置,形成稳定的波 形。
空气柱中的驻波
气体共鸣
空气柱中的驻波使特定频率的声波增强,产生共鸣。
2 驻波现象
电磁波在干涉中形成驻波,如微波炉中的驻 波。
节点和反节点
1 节点
波在驻波中不振动的位置,能量传输为零。
2 反节点
波在驻波中最大振动幅度的位置,能量传输最大。
大学物理课件-驻波
欢迎来到我们的大学物理课件,今天源自们将深入研究驻波。驻波的定义和特点
1 定义
驻波是在同一介质内传播的两个波的干涉现象。
2 特点
驻波具有站立波形态、能量不传播、波节和波腹等特点。
波的反射和干涉
1 反射
波在边界上反射,使波的能量在同一介质中回弹。
2 干涉
波通过干涉产生波形的叠加,形成驻波。
大学物理 第五章 波动
y
u
o
Px
x
O点简谐运动方程:y0 Acos(t 0)
由P 点的振动得到波动表示式:
y( x,
t)
Acos[(t
x u
)
0
]
y
( x, t )
Acos[2 ( t
T
x
)
0
]
沿 x轴正向,波线上
各质点的振动时间和 相位依次超前。
17
2. 波动方程
y Acost x u 0
求 x 、t 的二阶偏导数
移。即表示振动状态的传播,给出波形随时间而变化的
情况。
y
u
A
t 时刻波形
0 t+t 时刻波形
行
x x x x 波
x=u t
23
请指出你认为是对的答案 以波速 u 沿 x 轴逆向传播的简谐波 t 时刻的波形如下图
A B
A B
C
D
C
D
(1) A点的速度大于零;
v 振动速度
y t
(2) B点静止不动;
4
u
S
P
x x0
x
x
解: 2
xSP
2
(x
x0
)
S
(t
)
t
3
p (t) S (t)
t
3
2
(x x0)
y( x, t )
Acos[
t
3
2
(x
x0 )]
b点比a点的相位落后:
2 x
重要结论!
19
例:已知
ys
(t
)
A
cos(
t
5驻波大学物理
波节
3
5 x
4
4
4
4
2
振幅包络图
5、驻波
波动
(2) 相位分布
结论一 相邻两波节间各点振动相位相同
结论二 一波节两侧各点振动相位相反
边界条件
驻波2
驻波一般由入射、反射波叠加而成, 反射发生在两介质交界面上,在交界面处 出现波节还是波腹,取决于介质的性质。
介质分类 波疏介质,波密介质
5、驻波
波动
三、相位跃变(半波损失)
5、驻波
波动
一、驻波的产生 1、现象
2、驻波的形成 条件: 两列振幅相同的相干波相向传播
5、驻波
波动
二、驻波方程
正向 y1
A cos
2π
(t
x
)
负向
y2
Acos 2π (t
x)
y y1 y2
Acos 2π (t x ) Acos 2π (t x )
y 2Acos 2π x cos 2π t
5、驻波
波动
讨论 驻波方程: y 2Acos 2π x cos 2π t
(1)振幅
2 A cos 2π x
随 x 而异,与时间无关
cos 2 π x
1 0
2 π x k π k 0,1,2,
2 π x (k 1) π k 0,1,2,
当 cos 2π x 1 时
振幅为2A,
2
称为
“波腹”,
此
x
2k
( 的偶数倍)时 (k 0,1,2,) 4
4
当 cos 2π x 0 时
振幅为0, 称为 “波节”, 此时x (2k 1)
( 的奇数倍) (k 0,1,2,) 4
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分析: 关键求出(1)
y
1 2x
O
L
A
四. 简正模式 (能够形成驻波的振动频率)
边界情况不同,简正模式也不同:
1.) 两端固定弦驻波
l
1
2
l
22
2
l
33
2
条件: l
nn 2
n
nu 2l
n
1, 2,
“量子化”
本征频率(简正频率)
n = 1 基频 n = 2,3,… 二次,三次…谐频
2) 一端封闭的笛中的驻波 3) 两端开放的笛中的驻波
一般情形
波的干涉
圆形水波的反射与干涉
一. 波的干涉
1. 干涉现象 波叠加时在空间出现稳定的 振动加强和减弱的分布
振幅
2. 相干条件
(1) 频率相同 (2) 振动方向相同 (3) 相位差恒定
3. 波场的强度分布
设振动方向屏面
S1 y10 = A10cos( t+ 10) S2 y20 = A20cos( t+ 20)
---“驻”字的第一层含义。
二. 驻波方程
y1
A cos[ (t
x u
)
y2
A cos[ (t
x) u
1 ] 右行波
2 ] 左行波
合成波 — 非行波 若1 = 2= 0
y y1 y2 2A coskx cos t
驻波方程
A (x) —调制的振幅 振动因子
三. 驻波特征 y 2A coskx cos t
p
r1
S1
S2
· r2
• 到p点引起振动
y1 = A1cos( t+ 10-kr1) y2 = A2cos( t+ 20-kr2)
k 2
相位差: = ( 20- 10) - k(r2-r1)
• p点合振动
合振幅 A = (A12+A22 +2A1A2cos )1/2
强度 I I1 I2 2 I1I2 cos
波腹
[例] 如图, 一列沿x轴正向传播的简谐波方程为
y1 103 cos[200π(t x / 200)] (m) , 在1、2两种介
质分界面上点A与坐标原点O相距L=2.25 m.已知介质2的
波阻大于介质1的波阻, 反射波与入射波的振幅相等, 求: (1) 反射波方程; (2) 驻波方程; (3) 在OA之间波节和波腹的位置坐标.
第十 波动 Wave
10-3 波的干涉 驻波
sliu@ 2014.10
上讲提要
波的能量:
1. 质元动能势能相等:① 同相;②能量不守恒;
2. 能量与波形同步传播
能量密度、能流密度
1 2 A2
2
1 u2 A2
2
本讲内容
现象:在某些情形下,波在传播过程中其传播 方向、波长和振幅、相位可能改变。
① 振幅分布 — “腹与节”
cos 2 x
1x 0x
k , k 0,1, 2, 2
(2k 1) 4
波腹 波节
相邻波节(腹)间距x 2 相邻波腹与波节间距x 4
② 相位分布 — “同相与反相”
相邻波节之间 同相振动
y
5
任一波节两侧 反相振动
驻波相位不传播
o
4
2 3
4
4
4x
波节
---“驻”字的第二层含义。
问题:
9-18 能否通过画旋转矢量图求解? 通过旋转矢量图如何画出波形图?
干涉项
• p点合振动 强度 I I1 I2 2 I1I2 cos
• 加强条件 ( 相长干涉 )
= ( 20- 10) - k(r2-r1) = 2m
Imax I1 I2 2 I1I2 • 减弱条件 (相消干涉)
(m=0,1,2,……)
= ( 20- 10) - k(r2-r1) = (2m+1) (m=0,1,2,……) Imin I1 I2 2 I1I2 若 A1=A2 ,则 Imin= 0
叠加原理、衍射、干涉 波的反射与驻波
水波通过窄缝时的衍射(惠更斯原理解释)
波的反射
问题1:反射波是什么样子? 如何描述?
左端固定的弹簧上的波
一. 反射波的相位
1、边界条件与半波损失
① 当反射端为固定端,或者更一般地
波从疏介质 被反射 密介质
(波阻 u 较小)
(波阻 u 较大)
② 若反射端为自由端, 或者从波密波疏
0
(无跃变)
透射波始终没有相位跃变
[例] 如图, 一列沿x轴正向传播的简谐波方程为
y1 103 cos[200π(t x / 200)] (m) , 在1、2两种介
质分界面上点A与坐标原点O相距L=2.25 m.已知介质2的 波阻大于介质1的波阻, 反射波与入射波的振幅相等, 求:
(1) 反射波方程;
Ⅰ法 分析边界处(教材)
y
Ⅱ法 分析原点: 推荐方法 O
1 2x
L
A
0r
0i 2 2L
波的反射
问题2:反射波和入射波同时 存在的时刻是怎样的?
左端固定的弹簧上的波
一、驻波(standing wave)的产生 两列等幅相干波沿相反方向传播而叠加
/2
t1 t2 t3 t4
t5
波节
驻波波形不传播
波腹