機(jī)械波概念

【專家解說】：機(jī)械振動(dòng)在介質(zhì)中的傳播稱為機(jī)械波。 機(jī)械波與電磁波既有相似之處又有不同之處，機(jī)械波的傳播需要特定的介質(zhì)，在不同介質(zhì)中的傳播速度也不同，在真空中根本不能傳播；而電磁波（例如光波）可以在真空中傳播。機(jī)械波與電磁波的許多物理性質(zhì)，如：折射、反射等是一致的，描述它們的物理量也是相同的。 常見的機(jī)械波有：水波、聲波、地震波。 機(jī)械波 - 形成與傳播 形成條件 波源 波源也稱振源，指能夠維持振動(dòng)的傳播，不間斷的輸入能量，并能發(fā)出波的物體或物體所在的初始位置。波源即是機(jī)械波形成的必要條件，也是電磁波形成的必要條件。 波源可以認(rèn)為是第一個(gè)開始振動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)，波源開始振動(dòng)后，介質(zhì)中的其他質(zhì)點(diǎn)就以波源的頻率做受迫振動(dòng)，波源的頻率等于波的頻率。 介質(zhì) 廣義的介質(zhì)可以是包含一種物質(zhì)的另一種物質(zhì)。在機(jī)械波中，介質(zhì)特指機(jī)械波借以傳播的物質(zhì)。僅有波源而沒有介質(zhì)時(shí)，機(jī)械波不會(huì)產(chǎn)生，例如，真空中的鬧鐘無法發(fā)出聲音。機(jī)械波在介質(zhì)中的傳播速率是由介質(zhì)本身的固有性質(zhì)決定的。在不同介質(zhì)中，波速是不同的。 下表給出了0℃時(shí)，聲波在不同介質(zhì)的傳播速度，數(shù)據(jù)取自《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書-物理（選修3-4）》(2005年)[1]。單位v/m·s^-1 介質(zhì) 空氣 純水 鹽水 橡膠 軟木 銅 鐵 波速 332 1490 1531 30--50 480 3800 4900 機(jī)械波 - 傳播方式與特點(diǎn) 繩波質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng) 機(jī)械波在傳播過程中，每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)都只做上下（左右）的簡諧振動(dòng)，即，質(zhì)點(diǎn)本身并不隨著機(jī)械波的傳播而前進(jìn)，例如：人的聲帶不會(huì)隨著聲波的傳播而離開口腔。 為了說明機(jī)械波在傳播時(shí)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，現(xiàn)已繩波（右下圖）為例進(jìn)行介紹，其他形式的機(jī)械波同理[1]。 繩波繩波是一種簡單的橫波，在日常生活中，我們拿起一根繩子的一端進(jìn)行一次抖動(dòng)，就可以看見一個(gè)波形在繩子上傳播，如果連續(xù)不斷地進(jìn)行周期性上下抖動(dòng)，就形成了繩波[1]。 把繩分成許多小部分，每一小部分都看成一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，相鄰兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)間，有彈力的相互作用。第一個(gè)質(zhì)點(diǎn)在外力作用下振動(dòng)后，就會(huì)帶動(dòng)第二個(gè)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)，只是質(zhì)點(diǎn)二的振動(dòng)比前者落后。這樣，前一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)帶動(dòng)后一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，依次帶動(dòng)下去，振動(dòng)也就發(fā)生區(qū)域向遠(yuǎn)處的傳播，從而形成了繩波。如果在繩子上任取一點(diǎn)系上紅布條，我們還可以發(fā)現(xiàn)，紅布條只是在上下振動(dòng)，并沒有隨波前進(jìn)[1]。 由此，我們可以發(fā)現(xiàn)，介質(zhì)中的每個(gè)質(zhì)點(diǎn)，在波傳播時(shí)，都只做簡諧振動(dòng)（可以是上下，也可以是左右），機(jī)械波可以看成是一種運(yùn)動(dòng)形式的傳播，質(zhì)點(diǎn)本身不會(huì)沿著波的傳播方向移動(dòng)。 機(jī)械波 - 機(jī)械波傳播的本質(zhì) 惠更斯原理在機(jī)械波傳播的過程中，介質(zhì)里本來相對(duì)靜止的質(zhì)點(diǎn)，隨著機(jī)械波的傳播而發(fā)生振動(dòng)，這表明這些質(zhì)點(diǎn)獲得了能量，這個(gè)能量是從波源通過前面的質(zhì)點(diǎn)依次傳來的。所以，機(jī)械波傳播的實(shí)質(zhì)是能量的傳播，這種能量可以很小，也可以很大，海洋的潮汐能甚至可以用來發(fā)電，這是維持機(jī)械波（水波）傳播的能量轉(zhuǎn)化成了電能。 惠更斯原理(Huygens principle) 惠更斯原理用于解釋球面波和平面波的傳播，此外還可以解釋波的反射、衍射的現(xiàn)象 在總結(jié)許多實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，荷蘭科學(xué)家惠更斯提出：介質(zhì)中波陣面上每一個(gè)點(diǎn)（有無數(shù)個(gè)）都可以看成一個(gè)新的波源，這些新的波源發(fā)出的子波。經(jīng)過一定時(shí)間后，這些子波的包絡(luò)面就構(gòu)成下一時(shí)刻的波面[1]。 惠更斯原理根據(jù)惠更斯原理，我們可以解釋球面波的波面是怎樣形成的，右圖中，點(diǎn)波源O發(fā)出的波在t時(shí)刻的波面是一個(gè)球面S，該球面上每一個(gè)點(diǎn)都可以看成一個(gè)新的點(diǎn)波源，它們各自向前發(fā)出球面子波，下一時(shí)刻（t △t）新的波面S'，就是這些子波波面相切的包絡(luò)面；平面波同理。 惠更斯原理的局限 ①?zèng)]有說明子波的強(qiáng)度分布問題； ②沒有說明波為什么只能向前傳播，而不向后傳播的問題。 后來，菲涅耳對(duì)惠更斯原理作了重要的補(bǔ)充，形成惠更斯-菲涅耳原理，這些缺陷才被克服[2]。 機(jī)械波 - 基本分類 橫波與縱波 機(jī)械波波長隨著機(jī)械波的傳播，介質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)起來。根據(jù)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向和波傳播的傳播方向之間的關(guān)系，可以把機(jī)械波分為橫波和縱波兩類。 橫波(transverse wave) 物理學(xué)中把質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向垂直的波，稱作橫波。在橫波中，凸起的最高處稱為波峰，凹下的最低處稱為波谷。 繩波是常見的橫波。 縱波(longitudinal wave) 物理學(xué)中把質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向在同一直線的波，稱作縱波。質(zhì)點(diǎn)在縱波傳播時(shí)來回振動(dòng)，其中質(zhì)點(diǎn)分布最密集的地方稱為密部，質(zhì)點(diǎn)分布最稀疏的地方稱為疏部。 聲波是常見的縱波。