大学物理学课件11.pptVIP

本章学习要点 机械波的产生与传播 平面简谐波的波动方程及其物理意义 波的能量与能流密度 惠更斯原理与波的衍射 波的叠加原理与波的干涉 驻波 多普勒效应 本章小结 11.1 机械波的产生与传播 11.2 平面简谐波的波动方程 及其物理意义 11.3 波的能量与能流密度 11.4 惠更斯原理与波的衍射 11.5 波的叠加原理与波的干涉 11.6 驻波 11.7 多普勒效应 本章小结 （3）在弦线上形成驻波时，动能和势能不断互相转化，能量交替地由波腹附近转向波节附近，再由波节附近转向波腹附近，这说明驻波的能量没有作定向地传播。 7．多普勒效应 （1）波源不动，观察者相对介质以速度v0运动时，观察者接收到的频率为 （2）观察者不动，波源相对介质以速度vs运动时，观察者接收到的频率为 （3）波源与观察者同时相对介质运动时，观察者接收到的频率为 在国际单位制中，能流的单位为瓦特（W），因此，波的能流又称为波的功率。 单位时间内通过垂直于波传播方向上单位面积的平均能流称为能流密度，用I表示，即 显然，能流密度越大，单位时间内垂直通过单位面积的能量就越多，波动就越强烈，所以，能流密度I又称为波的强度，简称波强。例如，声波的能流密度称为声强，它表示声音的强弱；光波的能流密度称为光强，它表示光的强弱。 在国际单位制中，能流密度的单位为W/m2。 11.4.1 惠更斯原理 如下图所示，水面波传播时，遇到一个障碍物AB板，板上开一小孔。当小孔的大小与波长差不多时，不论左方的水面波是直线波，还是圆形波，穿过小孔后，在右方出现的都是以小孔为圆心的圆形波，与原来波的形状无关。这说明，小孔可看作是新的波源，它所发射出去的波称为子波。 在总结大量这类现象的基础上，荷兰物理学家惠更斯于1690年提出：介质中波动传播到的各点，都可看作是发射子波的波源，在其后的任意时刻，这些子波的包络就是新的波前。这就是惠更斯原理。 对于任何波动过程，不论是机械波还是电磁波，不论其传播介质是均匀的还是非均匀的，是各向同性的还是各向异性的惠更斯原理都是适用的。根据这一原理，只要知道某一时刻的波前，就可用几何作图的方法，确定下一时刻的波前，从而确定波的传播方向。 如下图所示，设某波在均匀的、各向同性的介质中传播，S1为某一时刻t的波前，根据惠更斯原理，S1上各点都可成为发射子波的新波源。若以uΔt为半径画出许多半球形子波，则这些子波的包络S2就是t＋Δt时刻的新波前。 11.4.2 波的衍射 波在传播过程中遇到障碍物时，能够绕过障碍物的边缘继续传播的现象称为波的衍射。不论是机械波还是电磁波，都会产生衍射现象。衍射现象是波动的重要特征之一。 衍射现象可用惠更斯原理进行定性解释。如下图所示，当平面波到达一个宽度与波长相近的缝时，缝上各点都可作为子波的波源。作出这些子波的包络，就可得出新的波前。此时的波前与原来的平面略有不同，靠近边缘处，波前弯曲，即波能绕过障碍物，进入按直线前进所形成的阴影区域内继续传播。 实验证明，衍射现象的显著与否，和障碍物（如缝、孔等）的宽度d与波长λ之比有关。若障碍物的宽度d远大于波长λ，则衍射现象不明显；若障碍物的宽度d与波长λ相近，则衍射现象较明显。例如，声波的波长较长，当声波传到门缝或窗口时，衍射现象明显，故在屋内能够听到屋外的声音而光波的波长较短，只有在缝极窄的条件下，才能观察到光的衍射现象。 11.5.1 波的叠加原理 日常生活中，可以发现以下规律： 1．几列波在同一介质中传播并相遇后，仍然能保持它们原有的特征（频率、波长、振幅、振动方向等）不变，并按照自己原来的方向继续前进，如同没有遇到其他波一样，这称为波传播的独立性。 2．在相遇区域内，任一点的振动位移都等于各列波单独存在时在该点引起的振动位移的矢量和。 上述规律称为波的叠加原理。它是大量实验事实的总结，是波的强度较小时所遵循的基本规律。波的强度过大时，叠加原理失效。遵循叠加原理的波称为线性波，否则称为非线性波。 11.5.2 波的干涉 这里，我们只讨论最简单也是最基本的一种情况，即由两列频率相同、振动方向相同、相位差恒定的波源所发出的简谐波的叠加。满足上述条件的两列波称为相干波，能发出相干波的波源称为相干波源。两列相干波在空间相遇时，某些点处振动始终加强，而另一些点处，振动始终减弱或完全抵消