大学物理课件驻波.ppt
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- 大学物理 课件 驻波
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1、一、一、波的叠加原理(独立性原理)波的叠加原理(独立性原理)v 无论是否相遇,无论是否相遇, 各列波将保持原有的特性各列波将保持原有的特性( 频率频率, 波长和波长和 振动方向等振动方向等)不变,按照原来的方向继续前进,不变,按照原来的方向继续前进, 就象没就象没有遇到其他的波一样。有遇到其他的波一样。通过对各种波动相遇现象的观察和研究,可总结如下规律:通过对各种波动相遇现象的观察和研究,可总结如下规律:注意注意波的叠加原理仅在弱波条件时成立,强冲击波则不成立波的叠加原理仅在弱波条件时成立,强冲击波则不成立。v 在其相遇区域内,任一点处质点的的振动为各个波单独在其相遇区域内,任一点处质点的的振
2、动为各个波单独 存在时所引起的振动的矢量和。存在时所引起的振动的矢量和。这个规律叫做这个规律叫做波的叠加原理波的叠加原理或波的或波的独立性原理独立性原理。 21.7 波的叠加波的叠加 驻波驻波二、二、波的干涉:波的干涉:1、干涉现象干涉现象: : 在一定条件下,两波相遇,在媒质中某些位置在一定条件下,两波相遇,在媒质中某些位置 的点振幅的点振幅始终始终最大,另些位置振幅最大,另些位置振幅始终始终最小,最小, 而其它位置,振动的强弱介乎二者之间,保而其它位置,振动的强弱介乎二者之间,保 持不变,称这种现象为干涉现象。持不变,称这种现象为干涉现象。2、产生干涉的条件:产生干涉的条件: 两波源两波源
3、具有具有恒定的相位差。恒定的相位差。 两波源的两波源的振动方向相同。振动方向相同。 两波源具有两波源具有相同的频率。相同的频率。满足上述条件的波称为满足上述条件的波称为相干相干波波。3、干涉加强、减弱条件:干涉加强、减弱条件:设有两个频率相同的波源设有两个频率相同的波源S 1 和和S 2 )cos()(1010110 tAt ,sy)cos()(2020220 tAt ,sy2r1r1s2sp传播到传播到 P 点引起的振动为:点引起的振动为: )2cos()(11011rtAt ,py )2cos()(22022rtAt ,py 在在 P 点的振动为点的振动为同方向同频率同方向同频率振动的合成
4、。振动的合成。)(cos)(10111 urtAt ,py)(cos)(20222 urtAt ,py由叠加原理由叠加原理P 点合振动:点合振动:)cos(21 tAyyy cos2212221AAAAA)(2)(121020rr 2r1r1s2sp干涉加强干涉加强的条件:的条件:21AAAAmax 干涉减弱干涉减弱的条件:的条件:|AA|AAmin21 当两波源的当两波源的初相位相同初相位相同时,相干条件可写为:时,相干条件可写为:为为波波程程差差。干涉加强干涉加强干涉减弱干涉减弱 cos2212221AAAAA,.,kkrr32102)(2)(121020 ,.,kkrr3210) 12(
5、)(2)(121020 ,., , ,kkrr321012 ,.3 , 2 , 1 , 021212 kkrr )( 例题例题1 在同一媒质中相距为在同一媒质中相距为20m 的两平面简谐波源的两平面简谐波源S1 和和S2 作同方向,同频率作同方向,同频率( (f=100Hz ) )的谐振动,振幅均为的谐振动,振幅均为A= 0.05m,点点S1 为波峰时,点为波峰时,点S2 恰为波谷,波速恰为波谷,波速u = 200m / s 。 求:两波源连线上因干涉而静止的各点位置求:两波源连线上因干涉而静止的各点位置. . 解解 选选S1 处为坐标原点处为坐标原点O,向右为,向右为x 轴正方向轴正方向,
6、,设点设点S1 的振的振动初相位为零动初相位为零, ,由已知条件可得波源由已知条件可得波源S1 和和S2 作简谐振动的运作简谐振动的运动方程分动方程分别为别为: :)2cos(1ftAy )2cos(2 ftAyS1 发出的向右传播的波的波函数为发出的向右传播的波的波函数为: :)(2cos1 xftAy S2 发出的向左传播的波的波函数为发出的向左传播的波的波函数为: :)20(2cos2 xftAyx2S1SxPO因干涉而静止的点的条件为因干涉而静止的点的条件为: : )12()(2)20(2 kxftxft,k210 化简上式化简上式, ,得得: :102 kx(m)10 kx所以在两波
7、源的连线上因干涉而静止的点的位置分别为所以在两波源的连线上因干涉而静止的点的位置分别为: :m191817321,x 将将 代入代入, ,可得可得: :m2 fu 1、驻波驻波: 两列振幅相同,而传播方向相反的相干波,其合成两列振幅相同,而传播方向相反的相干波,其合成 波是波是驻波驻波。三、驻波三、驻波:(驻波是干涉的特例)驻波是干涉的特例) 设有两列相干波,振幅相同,分别沿设有两列相干波,振幅相同,分别沿 x 轴正、负方向轴正、负方向传播,选初相位均为零的表达式为:传播,选初相位均为零的表达式为:)2cos(1xtAy )2cos(2xtAy 2、驻波的形成、驻波的形成 :0 tx1yu0
8、tx2yuhttp:/:8080/info/yanshi/shipin/qitihuoyan.html)2cos(1xtAy )2cos(2xtAy )2cos()2cos(21xtAxtAyyy 其合成波称为驻波,其表达式其合成波称为驻波,其表达式 :txAy cos2cos2 利用三角函数关系求出驻波的表达式利用三角函数关系求出驻波的表达式 :v 各点作频率相同、振幅不同的简谐振动各点作频率相同、振幅不同的简谐振动 。v 振幅为振幅为 xA2cos2txAy cos2cos2 利用三角函数关系求出利用三角函数关系求出驻波驻波的表达式:的表达式:简谐振动简谐振动简谐振动的振幅简谐振动的振幅)
9、(xA)()(x, tytux, tty 但是这一函数不含有传播因子但是这一函数不含有传播因子 , ,也不满足也不满足所以它不是行波。所以它不是行波。 它表示它表示各点都在作简谐振动,各点振动的各点都在作简谐振动,各点振动的频率相同,是原来波的频率。但各点振幅频率相同,是原来波的频率。但各点振幅随位置的不同而不同。随位置的不同而不同。)(uxt 3、驻波的特征:、驻波的特征:(1)波节和波腹:波节和波腹:波节:振幅为零的点称为波节:振幅为零的点称为波节。波节。波腹:振幅最大的点称为波腹:振幅最大的点称为波腹。波腹。两相邻波节间的距离两相邻波节间的距离 / 2。两相邻波腹间的距离两相邻波腹间的距
10、离 / 2。两相邻波节与波腹间的距离两相邻波节与波腹间的距离 /4。ftxAyyy 2cos2cos221 12cos |x| 02cos2 |xA| 2)12(2 kx的各点。的各点。即即: :波节的位置为:波节的位置为:.,kkx2104) 12( kx 2的各点。的各点。即即: :波腹的位置为:波腹的位置为:.,kkx2102 因此可用测量波腹间的距离,来确定波长。因此可用测量波腹间的距离,来确定波长。(2)相位相位 :(3) 波形:波形:ftxAy 2cos2cos2 02cos x相位为相位为ft 2相位为相位为 ft202cos x波形不传播。波形不传播。能量不传播能量不传播“ 驻
11、驻”* * 在波节两侧点的振动相位相反。同时达到反向在波节两侧点的振动相位相反。同时达到反向 最大或同时达到反向最小。速度方向相反。最大或同时达到反向最小。速度方向相反。 结论:结论:* * 两个波节之间的点其振动相位相同。两个波节之间的点其振动相位相同。 同时达到同时达到 最大或同时达到最小。速度方向相同。最大或同时达到最小。速度方向相同。四、四、半波损失:半波损失: 当一列波从当一列波从波疏媒质波疏媒质入射到入射到波密媒质波密媒质的界面时,反射波的界面时,反射波在反射点有在反射点有的相位突变,等效于波多走或少走半个波长的相位突变,等效于波多走或少走半个波长的波程,这种现象称为的波程,这种现
12、象称为半波损失。半波损失。弹性波:弹性波:u 较大的媒质称为较大的媒质称为波密媒质;波密媒质; 较小的媒质称为较小的媒质称为波疏媒质。波疏媒质。波波疏疏媒质媒质波波密密媒质媒质形成的驻波在界面处是波腹。形成的驻波在界面处是波腹。无半波损失无半波损失无半波损失无半波损失 密密疏疏uu波波疏疏媒质媒质波波密密媒质媒质形成的驻波在界面处是波节。形成的驻波在界面处是波节。半波损失半波损失半波损失半波损失uu密密疏疏波波疏疏媒质媒质 波波密密媒质媒质 界面处是波节界面处是波节 波波疏疏媒质媒质 波波密密媒质媒质 界面处是界面处是 波腹波腹实验实验 结果:结果:理论结果:理论结果:)2cos(11rtAy
13、 )2cos(12rtAy 0 )2cos(11rtAy )2(2cos12 rtAy 界面处是波腹界面处是波腹 uu无半波损失无半波损失半波损失半波损失uu界面处是波节界面处是波节 解解 (1)由于有相位突变由于有相位突变, ,故反射波的波函数为故反射波的波函数为: :)(2cos2 xTtAy(2)根据波的叠加原理根据波的叠加原理, ,合成波的波函数为合成波的波函数为: :21yyy )(2cos)(2cos xTtAxTtA)22)cos(22cos(2 TtxA)2)sin(2sin(2TtxA 例题例题2 一列沿一列沿x x轴方向传播的入射波的波函数为轴方向传播的入射波的波函数为)(
14、2cos xTtAy 求求:(1)反射波的波函数反射波的波函数. . (2)合成波的波函数合成波的波函数 (3)波腹波腹, ,波节波节的位置坐标的位置坐标. ., ,在在x=0 x=0处反射处反射, ,反射点为一节点反射点为一节点故波腹点坐标为故波腹点坐标为: :,kxk4)12( ,k210 形成波腹的各点形成波腹的各点, ,振幅最大振幅最大, ,即即: :12sin x亦即亦即: :2)12(2 kx形成波节各点形成波节各点, ,振幅最小振幅最小, ,即即: :02sin x即即: :,k x 2,k x2 ,k210 ( (x,x只取负值及零只取负值及零) )2)sin(2sin(2Tt
15、xAy (3)由由五、简正模式五、简正模式 (normal modenormal mode) 每个频率对应一种可能的震动方式,每种振动方式称为弦每个频率对应一种可能的震动方式,每种振动方式称为弦线振动的线振动的简正模式简正模式。 波在一定边界内传播时就会形成各种驻波。波在一定边界内传播时就会形成各种驻波。如如两端固定的弦,两端固定的弦,L L,3 , 2 , 12 nLnn nLn2 或或Lununn2 lFu 系统的系统的固有频率固有频率F F 弦中的张力弦中的张力 l l 弦的线密度弦的线密度波速波速形成驻波必须满足以下条件:形成驻波必须满足以下条件:基频基频21 n =n =1 1二次二
16、次谐频谐频n =n =2 222 三次三次谐频谐频n =n =3 323 每种可能的每种可能的稳定振动方式稳定振动方式称作系统的一个称作系统的一个简正模式。简正模式。两端固定的弦:两端固定的弦:3 , 2 , 12 nLnn nLn2 L Ln n=1,31,3L= nL= n4n n n=1,31,32n L= nL= n 三次三次 谐频谐频n = n = 3 3233 3 n = n = 3 3 三次三次谐频谐频23 3 边界情况不同,简正模式也不同:边界情况不同,简正模式也不同:L Ln = n = 1 1 基频基频41 1 1n n1 21 基频基频n = n = 1 1末端封闭的笛中
17、的驻波末端封闭的笛中的驻波末端开放的笛中的驻波末端开放的笛中的驻波 一般地说,对于一个驻波体系存在无限多个本征频率和一般地说,对于一个驻波体系存在无限多个本征频率和简正模式。在这一体系中形成的任何实际的振动,都可以看成简正模式。在这一体系中形成的任何实际的振动,都可以看成是各种简正模式的线性叠加,其中每一种简正模式的位相和所是各种简正模式的线性叠加,其中每一种简正模式的位相和所占比例的大小,则由初始扰动的性质决定。占比例的大小,则由初始扰动的性质决定。 当周期性驱动力的频率与驻波体系的某一简正频率相同时,当周期性驱动力的频率与驻波体系的某一简正频率相同时,就会使该频率驻波的振幅变得最大,这种现
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