物理光学-1.波动简介

1.波动的基本概念

波动是振动的传播过程,振动是形成波动的根源。

波动可以分为 机械波、电磁波和物质波 三类。机械振动的传播形成机械波,电磁扰动的传播形成电磁波,而物质波是一种概率波。

波动又可以分为 横波和纵波 。振动方向与传播方向平行的波称为纵波(弹簧振子的振动),振动方向与传播方向垂直的波称为横波(声波)。水波是由纵波和横波组合而成的一种椭圆形的混和波。

波动还可以分为 标量波和矢量波 ,密度波为标量波,位移波为矢量波。

2.波动的描述

  1. 波线 。表示波的传播方向。
  2. 波面 。波场中振动相位相同的点所组成的曲面叫做波面,波面推进的速度就是 波速 ,在一系列波面中,位于最前面的领先波面叫做 波前(Wave Front) 。按照波面形状的不同,波可以分为球面波、柱面波和平面波等。
  3. 惠更斯原理 :波前上的每一点都可以看作是发射次级球面子波的波源,新的波前就是这些次级子波波前的包络面。当波在同一种介质中传播时,波面和波前的形状不会发生改变,波线也不会改变;但是当波从一种介质传到另一种介质时,波面的形状将会发生改变,波线也会发生改变。

3.描述波的物理量

  1. 周期 T
  2. (时间)频率 { {\partial ^2y}\over{\partial x^2}}={ {1}\over{u^2}}{ {\partial ^2y}\over{\partial t^2}} x 2 2 y = u 2 1 t 2 2 y

    根据一维谐波的波函数,可以得到一小段质元中的动能为:
    \bar{w}={1\over T}\int^T_{0} \rho \omega^2 A^2 sin^2 \omega(t-{x\over u}) dt =\rho \omega^2 A^2[{1\over T}\int^T_{0} sin^2 \omega(t-{x\over u}) dt] w ˉ = T 1 0 T ρ ω 2 A 2 s i n 2 ω ( t u x ) d t = ρ ω 2 A 2 [ T 1 0 T s i n 2 ω ( t u x ) d t ]
    正弦函数的平方在一个周期内的平均值为1/2,所以,波的平均能量为

    在几列波相遇的区域内,任一点的振动为各波列单独在该点所引起的各个振动的合成,这一结论叫做波的叠加原理。


    满足一定条件的两列波在空间中相遇叠加时,交叠区中某些地方的合振动始终加强,而另一些地方的合振动始终减弱的稳定叠加现象叫做 波的干涉 ,能够产生干涉现象的两列波叫做 相干波

    产生相干波的条件是: 频率相同,振动方向相同,相位差恒定。

    干涉加强与减弱条件:

    当相位差为2π的整数倍时,合成振幅最大,合振动加强,故干涉加强条件为:
    \delta= \begin{cases}\pm2k{\lambda\over 2}\\ \pm(2k+1){\lambda\over 2} \end{cases}\qquad(k=0,1,2,...) δ = { ± 2 k 2 λ ± ( 2 k + 1 ) 2 λ ( k = 0 , 1 , 2 , . . . )
    由此可见,波程差 δ 每变化半个波长,波场中合振动的强弱就变化一次。

    驻波也是一种干涉现象,但它又不同于一般的干涉现象。它是由沿相反方向传播的两列等幅相干波叠加而成的。乐器中存在很多这样的现象。连续介质中各质元原地振动而不向前传播的运动状态叫做 驻波 ,波场中始终静止不动的各点成为驻波的 波节 ,而将振幅最大的各点成为驻波的 波腹

    著名的克拉尼图形便是一种平面驻波。
    克拉尼图形
    一维驻波表达式:
    两个反向传播的等幅相干波的波函数分别为:
    y=y_{1}+y_{2}=2Acos{\omega\over u}x·cos\omega t=2Acos{2\pi {x\over \lambda}}x·cos\omega t y = y 1 + y 2 = 2 A c o s u ω x c o s ω t = 2 A c o s 2 π λ x x c o s ω t
    Δ ψ = 2 π λ δ

    半波损失: 当反射端是固定的时候,相当于有半个波长π的半波损失。 除此之外,当波从波疏介质近似垂直入射到波密介质界面反射时,有半波损失;反之,当波从波密介质近似垂直入射到波疏介质界面反射时,无半波损失。对于电磁波来说,上述规律同样适用。

    8.多普勒效应

    机械波没有横向多普勒效应。只有纵向多普勒效应。
    物理光学-1.波动简介1.波动的基本概念2.波动的描述3.描述波的物理量4.平面谐波(一维谐波)的波函数5.波的能量传输6.波的干涉干涉加强与减弱条件:7.驻波8.多普勒效应1.波动的基本概念波动是振动的传播过程,振动是形成波动的根源。波动可以分为机械波、电磁波和物质波三类。机械振动的传播形成机械波,电磁扰动的传播形成电磁波,而物质波是一种概率波。波动又可以分为横波和纵波。振动方向与传播方向平行的波称为纵波(弹簧振子的振动),振动方向与传播方向垂直的波称为横波(声波)。水波是由纵波和横波组合而成的一

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