機械波是中學(xué)物理的一個重要內(nèi)容,而波動問題是教與學(xué)的一個難點。由于中學(xué)物理中對波的描述和處理是定性和半定量化的,解決波動問題時,更多的要借助于波動的特征和波動圖象。因此建立全面而準(zhǔn)確的波動過程的物理圖景、充分的認識和理解波動的特征,是學(xué)習(xí)機械波這一塊內(nèi)容時的首要問題。
1、波動是大量質(zhì)點振動的集體表現(xiàn)
正因為如此波動規(guī)律和振動規(guī)律是互相補充的,例如在應(yīng)用時經(jīng)常要根據(jù)質(zhì)點的振動情況來分析波動情況。對于波動的這一特征要明確兩點:
(1)、波的傳播過程實際上是前一質(zhì)點帶動后一質(zhì)點振動的過程,因此介質(zhì)中各質(zhì)點做的都是受迫振動,它們的振動頻率都與波源的頻率相同,也就是波動的頻率。
(2)、波在傳播過程中實際上傳播的是波源的振動能量和振動形式,介質(zhì)中各質(zhì)點只是在自己的平衡位置附近來回振動,質(zhì)點本身并不隨波遷移。
2、波動的位相關(guān)系
沿波的傳播方向,先振動的質(zhì)點依次帶動后振動的質(zhì)點振動,因此振動質(zhì)點的位相依次落后。波動的這一特征,是我們推斷波形、波傳播方向和質(zhì)點振動方向三者相互關(guān)系的依據(jù),已知其中兩者就可推知第三者。中學(xué)物理中有許多這類問題及判斷方法,應(yīng)注意總結(jié)。
3、波動的平移法則
波一旦形成,就會保持這個確定的形狀,以恒定的速度(波速)整體向前勻速平移,同時也包括波源的振動狀態(tài)不變地勻速向外平移。把握這一特征十分重要,我們可根據(jù)某一時刻的波形圖,結(jié)合勻速運動的位移公式 s = v t ,來確定任一時刻的波形圖,以及分析某一質(zhì)點的振動情況。
4、波動的周期性
波動的周期性體現(xiàn)在兩個方面:從時間上看,每經(jīng)過一個周期的時間,波形重復(fù)出現(xiàn)一次;從空間上看,沿波傳播方向每經(jīng)過一個波長的距離,波形也重復(fù)出現(xiàn)一次。這兩個方面是統(tǒng)一的,經(jīng)過一個周期 T 的時間,波傳播一個波長λ的距離;波速 v,波長λ和周期 T 的關(guān)系為 。
根據(jù)波的這一特征,當(dāng)波在介質(zhì)中的傳播時間 t 為周期 T 的整數(shù)倍時,波的傳播距離也是波長的整數(shù)倍,波形與原來的重合。如果經(jīng)過的時間 t ,波傳播距離 x,不是 T 和λ的整數(shù)倍,即 (其中 n =0、1、2……,0<Δn<1),則只需將原波形沿波傳播方向平移Δnλ,就可得到下一時刻的波形圖,這就是所謂的“去整留零”。也正因為波動的這種周期性,使得波動問題經(jīng)常具有多解性,并成為此類問題的特色。
5、波動的雙向性
波在介質(zhì)可向各個方向傳播,但在波動圖象中波的傳播只限于坐標(biāo)軸的正、負兩個方向。當(dāng)波的傳播方向未知時,要考慮到波的傳播方向可能沿正方向、也可能沿負方向。如上面的問題中將原波形沿相反方向平移(1-Δn)λ的距離,也可得到同樣的波形圖。一般地,波沿正、負兩方向傳播時,若向正、負方向傳播的時間之和等于周期的整數(shù)倍,則沿正、負兩方向傳播所得到的波形圖是相同的。波動的雙向性經(jīng)常也是形成波動問題多解性的一個原因,應(yīng)給予充分考慮。
6、波動的對稱性
波源的振動,要帶動它周圍與它相鄰的各介質(zhì)質(zhì)點振動——在波動圖象中只限于考慮坐標(biāo)軸的左右兩個方向,因而產(chǎn)生的波要向左、右兩個方向傳播。對稱性就是指波在介質(zhì)中向左、右傳播時,關(guān)于波源對稱的左、右兩質(zhì)點的振動情況完全相同,形成的波形也是關(guān)于波源對稱的。
1、波動是大量質(zhì)點振動的集體表現(xiàn)
正因為如此波動規(guī)律和振動規(guī)律是互相補充的,例如在應(yīng)用時經(jīng)常要根據(jù)質(zhì)點的振動情況來分析波動情況。對于波動的這一特征要明確兩點:
(1)、波的傳播過程實際上是前一質(zhì)點帶動后一質(zhì)點振動的過程,因此介質(zhì)中各質(zhì)點做的都是受迫振動,它們的振動頻率都與波源的頻率相同,也就是波動的頻率。
(2)、波在傳播過程中實際上傳播的是波源的振動能量和振動形式,介質(zhì)中各質(zhì)點只是在自己的平衡位置附近來回振動,質(zhì)點本身并不隨波遷移。
2、波動的位相關(guān)系
沿波的傳播方向,先振動的質(zhì)點依次帶動后振動的質(zhì)點振動,因此振動質(zhì)點的位相依次落后。波動的這一特征,是我們推斷波形、波傳播方向和質(zhì)點振動方向三者相互關(guān)系的依據(jù),已知其中兩者就可推知第三者。中學(xué)物理中有許多這類問題及判斷方法,應(yīng)注意總結(jié)。
3、波動的平移法則
波一旦形成,就會保持這個確定的形狀,以恒定的速度(波速)整體向前勻速平移,同時也包括波源的振動狀態(tài)不變地勻速向外平移。把握這一特征十分重要,我們可根據(jù)某一時刻的波形圖,結(jié)合勻速運動的位移公式 s = v t ,來確定任一時刻的波形圖,以及分析某一質(zhì)點的振動情況。
4、波動的周期性
波動的周期性體現(xiàn)在兩個方面:從時間上看,每經(jīng)過一個周期的時間,波形重復(fù)出現(xiàn)一次;從空間上看,沿波傳播方向每經(jīng)過一個波長的距離,波形也重復(fù)出現(xiàn)一次。這兩個方面是統(tǒng)一的,經(jīng)過一個周期 T 的時間,波傳播一個波長λ的距離;波速 v,波長λ和周期 T 的關(guān)系為 。
根據(jù)波的這一特征,當(dāng)波在介質(zhì)中的傳播時間 t 為周期 T 的整數(shù)倍時,波的傳播距離也是波長的整數(shù)倍,波形與原來的重合。如果經(jīng)過的時間 t ,波傳播距離 x,不是 T 和λ的整數(shù)倍,即 (其中 n =0、1、2……,0<Δn<1),則只需將原波形沿波傳播方向平移Δnλ,就可得到下一時刻的波形圖,這就是所謂的“去整留零”。也正因為波動的這種周期性,使得波動問題經(jīng)常具有多解性,并成為此類問題的特色。
5、波動的雙向性
波在介質(zhì)可向各個方向傳播,但在波動圖象中波的傳播只限于坐標(biāo)軸的正、負兩個方向。當(dāng)波的傳播方向未知時,要考慮到波的傳播方向可能沿正方向、也可能沿負方向。如上面的問題中將原波形沿相反方向平移(1-Δn)λ的距離,也可得到同樣的波形圖。一般地,波沿正、負兩方向傳播時,若向正、負方向傳播的時間之和等于周期的整數(shù)倍,則沿正、負兩方向傳播所得到的波形圖是相同的。波動的雙向性經(jīng)常也是形成波動問題多解性的一個原因,應(yīng)給予充分考慮。
6、波動的對稱性
波源的振動,要帶動它周圍與它相鄰的各介質(zhì)質(zhì)點振動——在波動圖象中只限于考慮坐標(biāo)軸的左右兩個方向,因而產(chǎn)生的波要向左、右兩個方向傳播。對稱性就是指波在介質(zhì)中向左、右傳播時,關(guān)于波源對稱的左、右兩質(zhì)點的振動情況完全相同,形成的波形也是關(guān)于波源對稱的。