武汉纺织大学 大学物理 机械波

第十三章 机械波一、选择题（在下列各题中，均给出了4个～5个答案，其中有的只有1个正确答案，有的则有几个是正确答案，请把正确答案的英文字母序号填在题后的括号内）1.在下列关于机械波的表述中，不正确的是A.机械波实际上就是在波的传播方向上，介质中各质元的集体受迫振动；B.在波的传播方向上，相位差为2π的两质元之间的距离称为波长；C.振动状态在介质中传播时，波线上各质元均可视为新的子波波源；D.波的振幅、频率、相位与波源相同;E.波线上离波源越远的质元，相位越落后。

（ ）解：选（D ）。

简谐波的频率与波源的频率相同。

对于平面简谐波，我们假设了介质是均匀、无吸收的，那么各点的振幅将保持不变，且与波源的振幅相同，但对于简谐球面波，其振幅与离开波源的距离成反比。

波的相位与位置有关，且总是落后于波源的相位。

2.已知一平面简谐波的波函数为y =A cos （at -bx ）(a 、b 为正值)，则：A.波的频率为a ；B.波的传播速度为a b ； C.波长为πbD.周期为2πa（ ） 解：选（D ）。

沿Ox 轴正方向传播的平面简谐波的波函数具有标准形式：cos 2π()λt x y A T =-。

将题中给出的波函数化为cos 2π()2π2πt x y A a b=-，与标准形式比较得：周期2πT a =，波长2πλ=b ，波速λ=a u T b =，频率1==2πa T ν。

3.在下列关于波的能量的表述中，正确的是A. 波的能量221kA E E E P K =+=；B. 机械波在介质中传播时，任一质元的K E 和P E 均随时间t 变化，但相位相差π2； C. 由于K E 和P E 同时为零，又同时达到最大值，表明能量守恒定律在波动中不成立； D.K E 和P E 同相位，表明波的传播是能量传播的过程。

（ ）解：选（D ）。

在有波传播的介质中，任一体积元中的动能和势能随时间变化的规律完全相同，也就是说，当该体积元内的动能最大时，势能也最大，动能为零时，势能也为零。

但这并不表明能量守恒定律本身不成立，因能量守恒定律只适用于封闭（孤立）系统，而该体积元是开放系统，它不断从后面的介质中获得能量，又不断地把能量传给前面的介质。

这与单个质点的简谐振动不同，当单个质点做简谐振动时，其动能最大时势能为零，势能最大时动能为零，两者之和为221kA E E E P K =+=，机械能守恒。

4.传播速度为100m/s ，频率为50Hz 的平面简谐波，在波线上相距为0.5m 的两点之间的相位差为： A.π3 ； B.π6； C.π2； D.π4。

（ ） 解：选（C ）。

波长m 250100===νλu ，相位差x ∆=∆λϕπ22π5.02π2=⨯=。

5.一列平面余弦波t 时刻的波形如图13-1所示，则该时刻能量为最大值的介质质元的位置是：A.e c a ,, ；B.f d b ,, ；C.e a , ；D.c 。

（ ）解：选（B ）。

由图可知，该时刻b 、d 、f 三个质元位移为零，说明此时它们正通过平衡位置，因此动能最大，根据波动过程中能量传播的规律，它们的势能也最大。

6.一频率为500Hz 的平面简谐波，波速为360m/s ，则同一波线上相位差为3π的两点间距离为：A. 0.24m ；B.0.48m ；C.0.36m ；D.0.12m 。

（ ） 图13-1解：选（D ）。

波长m 72.0500360===νλu ，又因相位差x ∆=∆λϕπ2，所以2πx λφ∆=∆ 0.72π0.122π3=⨯=m 。

7.一平面简谐波沿Ox 轴负方向传播，其振幅A =0.01m ，频率ν=550Hz ，波速u =330m/s 。

若t =0时，坐标原点处的质点达到负的最大位移，则此波的波函数为：A.y=0.01cos ［2π（550t+1.67x ）+π］；B.y=0.01cos ［2π（550t-1.67x ）+π］；C.y=0.01cos ［2π（550t+1.67x ）-π/2］；D.y=0.01cos ［2π（550t-1.67x ）+3π/2］。

（ ）解：选（A ）。

沿Ox 轴负方向传播的平面简谐波的波函数具有标准形式：cos 2π(+)+λt x y A T ϕ⎡⎤=⎢⎥⎣⎦，其中11=s 550T ν=，3303m 5505u λν===，由旋转矢量法易知，=πϕ，故选A 。

8.在下列关于波的干涉的表述中，正确的是：A.两列波在空间相遇，叠加的结果形成干涉；B.两列相干波干涉的结果，使介质中各质元不是“加强”，就是“减弱”（即极大或极小）；C.干涉加强意味着合振幅A 有极大值，干涉减弱意味着合振幅A 有极小值；D.干涉加强点意味着该质元的y 不随时间变化，始终处于极大值位置；E.两列相干波形成干涉，某时刻介质中P 点处的质元距平衡位置为y ，且m i n m a x A y A <<，表明P 点一定既不是加强点，也不是减弱点。

（ ）解：选（C ）。

波的干涉是指频率相同、振动方向平行、相位相同或相位差恒定的两列波相遇时，使某些地方振动始终加强、某些地方振动始终减弱的现象。

干涉加强的点合振幅有极大值max A ，干涉减弱的点合振幅有极小值min A ，其它点的合振幅则在极大值和极小值之间。

9.一列火车驶过火车站时，站台上的观察者测得火车汽笛声的频率由1200Hz 变为1000 Hz ，空气中的声速为330m/s ，则火车的速度为A.30m/s ；B.55m/s ；C.60m/s ；D.90m/s 。

（ ）解：选（A ）。

注意，题中给出的两个频率都是观察者接收到的频率o ν，不是波源（火车）的频率s ν。

由多普勒效应的频率公式知，观察者接收到的频率=o o s su u υννυ± 上式中，假若观察者接近波源，o υ前取正号，反之取负号（本题观察者的速度为0o υ=）；波源向着观察者运动时，s υ前取负号，远离时取正号，因此有3301200=330s s νυ- 3301000=330+s sνυ 消去s ν，得到30m/s s υ=。

10.人耳能辨别同时传来的不同声音，这是因为：A.波的反射和折射；B.波的干涉；C.波的独立传播性；D. 波的强度不同。

（ ）解：选（C ）。

二、填空题1.已知波源在坐标原点（x =0）的平面简谐波的波函数为y =A cos （Bt -Cx ），其中A 、B 、C 为正值常数，则此波的振幅为 A ，波速为/B C ，周期为2πB ，波长为2πC 。

在任意时刻，在波传播方向上相距为D 的两点的相位差为DC 。

解：参见本章选择题2。

此题不需要明确哪点相位超前或落后，故相位差2πΔ=x DC ϕλ∆=。

若将此题改成，求在波传播方向上坐标为M x 和N x 的两点的相位差，则应写成MN M N ϕϕϕ∆=-2π()M N x x λ=--，注意下标M 、N 的顺序不能颠倒。

2.波源位于x =-1m 处，其振动方程为y =0.05cos （2πt+π/3）m ，此波源产生的波无吸收地分别向X 轴正、负方向传播，波速u =2m/s 。

则向X 轴正向传播的波动方程为：y 1=1π0.05cos 2π23x t ⎡+⎤⎛⎫-+ ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦，向X 轴负向传播的波动方程为y 2=1π0.05cos 2π+23x t ⎡+⎤⎛⎫+ ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦。

解：仅分析波沿X 轴正方向传播时的情况（如图）。

所谓“求波动方程”其实就是求任意质点在任意时刻的位移，其理论依据是：（1）波的传播是状态的传播（这里的“状态”是指质点振动的位移、速度、加速度等）；（2）状态的传播需要时间。

为此，任取坐标为x 的一点P ，显然， P 点在t时刻的位移，应该等于波源处（M 点）在1x t u +-时刻的位移，于是有11π0.05cos 2π23x y t ⎡+⎤⎛⎫=-+ ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦m 。

3.一沿x 轴正方向传播的平面简谐波，波速为u =10m/s ，频率为ν=5Hz ，振幅A =0.02m 。

在t =0时，位于坐标原点处的质元的位移为y 0=0.01m ，速度d 0d y t >，则此列波的波动方程为：y =π0.02cos 10π--m 103x t ⎡⎤⎛⎫ ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦；位于x 1=4m 和x 2=4.1m 处两质元的相位差：Δφ=0.1π。

解：把坐标原点作为参考点，设参考点的振动方程为cos()y A t ωϕ=+，其中A =0.02m ，=2π=10πωνrad/s ，如图，由旋转矢量法求得初相π=-3ϕ，因此π0.02cos(10π-)m 3y t =。

在x 轴正向任取一点P,P 点在t 时刻的位移等于参考点在-x t u时刻的位移，因此，波动方程为π0.02cos 10π--m 103x y t ⎡⎤⎛⎫= ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦。

波长10=2m 5u λν==，位于x 1=4m 和x 2=4.1m 处两质元的相位差：2π2π=0.1=0.1π2x φλ∆=∆⨯。

4.频率为500Hz 的波，其传播速度为350m/s ，相位差为2π3的两点间距为730m 。

解：3507=m 50010u λν==,由2πx φλ∆=∆可求出730x ∆=m 。

M O P u X Y -1 x5.一列波由波疏介质向波密介质传播，在两介质的分界面上反射，则反射波的相位将 损失π，这个现象称为 半波损失 。

解：(略)6.已知驻波方程为y =0.04cos20x cos800t （SI ），则形成该驻波的两列行波的振幅A = 0.02 m ，波速u = 40 m/s ，相邻两波节的距离为Δx =π20 m 。

解：驻波是由振幅、频率和传播速度都相同的两列相干波，在同一直线上沿着相反方向传播时叠加形成的。

若设这两列相干波的振幅均为A 、频率均为ν、波长均为λ、且坐标原点处的初位相都为零，则驻波方程可以写成2π2cos cos 2πy A x t νλ=与题目中给出的驻波方程比较，可以求得0.02m A =，π=m 10λ，400=Hz πν。

从而，波速40m/s u λν==。

由于相邻两波节之间的距离为半个波长，所以πm 220x λ∆==。

7.设入射波的表达式为y 1=Acos2π（νt+x /λ），波在x =0处发生反射，若反射点为固定端，则反射波的表达式为y 2=cos 2π-+πx A t u ν⎡⎤⎛⎫ ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦；若反射点为自由端，则反射波的表达式为y 3=cos 2π-x A t u ν⎡⎤⎛⎫ ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦。

解：入射波在x =0处引起振动的方程为cos 2πy A t ν=。

若反射点为固定端，则应计入半波损失，于是反射波在x =0处引起振动的方程为cos 2π+πy A t ν=（），因此，反射波的表达式（亦称反射波的波动方程）为2cos 2π-+πx y A t u ν⎡⎤⎛⎫= ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦（参见本章填空题第2题解答）。