全套更高更妙的物理竞赛ppt课件竞赛课件13:波的几何描述与特征现象.ppt
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- 全套 更高 更妙 物理 竞赛 ppt 课件 13 几何 描述 特征 现象
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1、 波的几何描述波的几何描述在波传播的介质中作出的某时刻振动所传播到达的各在波传播的介质中作出的某时刻振动所传播到达的各点的轨迹称为波前点的轨迹称为波前. 振动在介质中传播时,振动步调相同的点的轨迹,称为振动在介质中传播时,振动步调相同的点的轨迹,称为波面波前是各点振动相位都等于波源初相位的波面波面波前是各点振动相位都等于波源初相位的波面 方向处处与该处波的传播方向一致的线,叫波线方向处处与该处波的传播方向一致的线,叫波线球面波球面波平面波平面波波面波面o波线波线波面波面波线波线波前波前波前波前介质中波动到达的各点,都可以看作是发射子波介质中波动到达的各点,都可以看作是发射子波的波源,在其后的任
2、一时刻,这些子波的包迹就决定的波源,在其后的任一时刻,这些子波的包迹就决定新的波前新的波前 反射定律反射定律MNABABir A BvtABRt AA BRt ABBir 两种介质界面上的波现象两种介质界面上的波现象折射定律折射定律MNABABirri12sinsinv tv tABir1212sinsinvinrv1v2vA1BA2B2irMMAB1NNCC緃緃tan3vtivt 橫橫i60i 一平面波遇到两种介质的界面时发生反射,设入射一平面波遇到两种介质的界面时发生反射,设入射波与反射波的振动方向相同如果入射波是一纵波,要使反射波是波与反射波的振动方向相同如果入射波是一纵波,要使反射波是
3、一横波,设纵波在介质中的传播速度是横波传播速度的倍问入射一横波,设纵波在介质中的传播速度是横波传播速度的倍问入射角为多少?角为多少? ABvt 子子ACB弹道波的几何描述如示弹道波的几何描述如示:m m5ACVt 波波1sin2Vv 波波子子30 设人在设人在C处处:子弹与人的距离即为子弹与人的距离即为CB=10 m 子弹在离人子弹在离人5 m处以速度处以速度680 m/s水平飞过,当人听水平飞过,当人听到子弹之啸声时,子弹离人多远?设声速为到子弹之啸声时,子弹离人多远?设声速为340 m/s. 飞机超音速飞行,引起飞机超音速飞行,引起圆锥面波,故飞机速度圆锥面波,故飞机速度 vV/sin37
4、 站在地面上的观测者发现一架飞机向他飞来,但听站在地面上的观测者发现一架飞机向他飞来,但听不到声音,一直到看见飞机的方向和水平成不到声音,一直到看见飞机的方向和水平成37角时,才听到轰呜角时,才听到轰呜声,若飞机沿水平直线飞行,当时声速为声,若飞机沿水平直线飞行,当时声速为336 m/s,飞机的速度是多,飞机的速度是多少?少? =560 m/s依据惠更斯原理求解依据惠更斯原理求解: :MNr0rO00Ncvrn Mcvrn 00ccr nrn 则则 000011r rcaraer 即即001r rcrrec 取取 00000rrarrrrarc 得得011arc 得得0r实际的地表大气密度满足
5、实际的地表大气密度满足001an 0000111rnc 故故 4.58 倍倍 假设大气折射率假设大气折射率n与空气的密度有关系与空气的密度有关系 式中式中a为常为常数,数,0为地球表面的大气密度,为地球表面的大气密度,r06400 km,c=8772 m,大气折射率随高度的增,大气折射率随高度的增加而递减为使光线能沿着地球表面的圆弧线弯曲传播,地表的空气密度应是实加而递减为使光线能沿着地球表面的圆弧线弯曲传播,地表的空气密度应是实际密度的多少倍?已知地表空气的实际折射率际密度的多少倍?已知地表空气的实际折射率n0=1.0003 001r rcnae 依据惠更斯原理求解依据惠更斯原理求解:MNh
6、0hO0hhhcch nhn 由由000000()()ccnahnaRhRhhhh 000000nahRhnaha hRhh 000nahha h Rh 0012nhRa R 某行星上大气的折射率随着行星表面的高度某行星上大气的折射率随着行星表面的高度h按照按照nn0ah的规律而减小,行星的半径为的规律而减小,行星的半径为R,行星表面某一高度,行星表面某一高度h0处有光波道,它始终在处有光波道,它始终在恒定高度,光线沿光波道环绕行星传播,试求高度恒定高度,光线沿光波道环绕行星传播,试求高度h0 驻波驻波两列沿相反方向传播的振幅相同、频率相同的波两列沿相反方向传播的振幅相同、频率相同的波叠加时,
7、形成驻波叠加时,形成驻波 静止不动的波节和振幅最大的波腹相间,但波形静止不动的波节和振幅最大的波腹相间,但波形不向任何方向移动,不向任何方向移动, 从驻波的成因来看,驻波是一种干涉现象:波节与波从驻波的成因来看,驻波是一种干涉现象:波节与波腹分别是振动抵消与振动最强区域,它们的位置是不腹分别是振动抵消与振动最强区域,它们的位置是不变的;变的;从驻波上各质点的振动情况来看,实际上是有限从驻波上各质点的振动情况来看,实际上是有限大小的物体上有相互联系的无数质点整体的一种大小的物体上有相互联系的无数质点整体的一种振动模式振动模式 弦线或空气柱以驻波的模式振动,成为声源,并弦线或空气柱以驻波的模式振动
8、,成为声源,并将这种振动形式在周围空气中传播,形成声波将这种振动形式在周围空气中传播,形成声波 示例示例规律规律 拍拍两个同方向的简谐运动合成时,由于频率两个同方向的简谐运动合成时,由于频率略有差别,产生的合振动振幅时而加强时略有差别,产生的合振动振幅时而加强时而减弱的现象叫拍在单位时间内合振幅而减弱的现象叫拍在单位时间内合振幅的极大值出现的次数叫做拍频的极大值出现的次数叫做拍频 12222ffT 121ffT tT/4t0,TtT/2t3T/4t0tT/2tT/4t3T/4tT返回返回 如图所示,一端固定在台上的弦线,用支柱支撑其如图所示,一端固定在台上的弦线,用支柱支撑其R点和点和S点,另
9、一端通过定滑轮吊一个点,另一端通过定滑轮吊一个1.6 kg的重物,弹拨弦的的重物,弹拨弦的RS部分,使其振动,则部分,使其振动,则R、S点为波节,其间产生三个波腹的驻波,这时,如在弦的附近使频率为点为波节,其间产生三个波腹的驻波,这时,如在弦的附近使频率为278 Hz的的音叉发音,则音叉发音,则5 s内可听到内可听到10次拍音,换用频率稍大的音叉,则拍音频率减小测次拍音,换用频率稍大的音叉,则拍音频率减小测得得RS75.0 cm,求该驻波的波长、频率及弦线的线密度,求该驻波的波长、频率及弦线的线密度 由驻波成因知该波波长为由驻波成因知该波波长为:m m250.03L 弦振动频率与音叉振动频率差
10、产生拍弦振动频率与音叉振动频率差产生拍:12fff 1102785f 1280f Tv 由由mgk kg g/ /m m21.6 9.8140 k kg g/ /m m30.8 10 RS规律规律试手试手18 问题问题 一个脉冲波在细绳中传播,一个脉冲波在细绳中传播,若绳的线密度为若绳的线密度为,绳中张力为,绳中张力为T试求试求脉冲波在绳上的传播速度脉冲波在绳上的传播速度 vv rvTTmr 22 sin2vTmr vT 返回返回 将一根长为将一根长为100多厘米的均匀弦线沿水平的多厘米的均匀弦线沿水平的x轴轴放置,拉紧并使两端固定现对离固定的右端放置,拉紧并使两端固定现对离固定的右端25 c
11、m处(取该处为原处(取该处为原点点O,如图,如图1所示)的弦上施加一个沿垂直于弦线方向(即所示)的弦上施加一个沿垂直于弦线方向(即y 轴方向)轴方向)的扰动,其位移随时间的变化规律如图的扰动,其位移随时间的变化规律如图2所示该扰动将沿弦线传播所示该扰动将沿弦线传播而形成波(孤立的脉冲波)已知该波在弦线中的传播速度为而形成波(孤立的脉冲波)已知该波在弦线中的传播速度为2.5 cm/s,且波在传播和反射过程中都没有能量损失,且波在传播和反射过程中都没有能量损失 试在图试在图1中准确地画出自中准确地画出自O点沿弦线向右传播的波在点沿弦线向右传播的波在t2.5 s时的时的波形波形 该波向右传播到固定点
12、时将发生反射,反射波向左传播反射该波向右传播到固定点时将发生反射,反射波向左传播反射点总是固定不动的这可看成是向右传播的波和向左传播的波相叠点总是固定不动的这可看成是向右传播的波和向左传播的波相叠加,使反射点的位移始终为零由此观点出发,试在图加,使反射点的位移始终为零由此观点出发,试在图1中准确地画中准确地画出出t12.5 s时的波形图时的波形图图13-12-2图图1解答解答图图22.5T s s6.25vT m m6.25波到达右端经波到达右端经再经再经2.5S,即即t=12.5s时时y/cmx/cm5101520250.100.05-0.10-0.05018.75再经再经0.5S,即即t=
13、10.5s时时18.756.25y/cmx/cm5101520250.100.05-0.10-0.050252.105t s s脉冲波形成经脉冲波形成经2.5tT s s23.75 一列横波在弦线上传播,到固定端时被反射,反一列横波在弦线上传播,到固定端时被反射,反射波在弦线上沿反方向传播而形成驻波反射时波长、频率、振幅射波在弦线上沿反方向传播而形成驻波反射时波长、频率、振幅均不变,但反射波与入射波使反射点的振动相差半个周期,相当于均不变,但反射波与入射波使反射点的振动相差半个周期,相当于原波损失半个波再反射在图中已画出某时刻入射波原波损失半个波再反射在图中已画出某时刻入射波B,试用虚线,试用
14、虚线画出反射波画出反射波C,用实线画出驻波,用实线画出驻波A BCA当声波频率当声波频率f7 Hz时,波长时,波长 :347.2m49.6m7vf 那么井深至少为波长四分之一即那么井深至少为波长四分之一即12.4 m时,空气柱与音叉可发生共鸣时,空气柱与音叉可发生共鸣 这样一个井的深度,还可能与频率大于这样一个井的深度,还可能与频率大于7Hz、波长短于波长短于49.6 m、但波长的但波长的214n 倍恰等于倍恰等于12.4 m的某些声波发生共鸣的某些声波发生共鸣! 有一口竖直井,井底有水,它可与有一口竖直井,井底有水,它可与fHz的某些的某些频率发生共鸣若声波在该井里的空气中的传播速度为频率发
15、生共鸣若声波在该井里的空气中的传播速度为347.2 m/s,试问这口井至少有多深?试问这口井至少有多深? 标准声频率为标准声频率为250 Hz250 Hz,拍频,拍频1.5 Hz1.5 Hz,粘上橡皮后音,粘上橡皮后音叉频率减小,与标准声的拍频增大,可知音叉原频叉频率减小,与标准声的拍频增大,可知音叉原频率为比标准声频率低,为率为比标准声频率低,为248.5 Hz248.5 Hz 由共鸣时空气柱长度知由共鸣时空气柱长度知 1.030.342 1.38m 343m/sVf 則則 音叉与频率为音叉与频率为250 Hz的标准声源同时发音,产生的标准声源同时发音,产生1.5 Hz的拍音当音叉叉股粘上一
16、小块橡皮泥时,拍频增大了将的拍音当音叉叉股粘上一小块橡皮泥时,拍频增大了将该音叉放在盛水的细管口,如图所示,连续调节水面的高度,当空该音叉放在盛水的细管口,如图所示,连续调节水面的高度,当空气柱高度相继为气柱高度相继为0.34 m和和1.03 m时发生共鸣求声波在空气中的声时发生共鸣求声波在空气中的声速,画出空气柱中的驻波波形图速,画出空气柱中的驻波波形图 VVfTfV (1)VvVvvfVfVT VVfVTuTVfVu VvfVTuVvfuTV 设定:设定: 波源相对于介质的速度波源相对于介质的速度u;观察者相对于介质的速度观察者相对于介质的速度v;波在介质中速度波在介质中速度V;观察者接收
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