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波 波()是一个或多个物理量从平衡状态传播出去的动态扰动(dynamic disturbance),波也是此物理量在空间逐点传递时形成的运动。波动(wave motion)则是波传递出去的“现象”或“过程”。波的扰动形式可任意,传递路径上的其他介质也作同一形式振动,但不会传递介质;因此,波是振动状态的传播,不是物质本身的传播。此外,波的传播速度总是有限的。 波可为周期性的,称为周期波,此时物理量以某种频率在平衡值附近反复振荡。当整个波形在一个方向上行进时,称为行波(traveling wave);相较而言,驻波(standing wave)的波形不向前行进,仅在平衡位置周期性振动,其由一对沿相反方向行进而叠加的周期波形成,属于一种干涉波。 除了电磁波、引力波(又称「重力波」)能够在真空中传播外,大部分波如机械波只能在介质中传播。波速与介质的弹性与惯性有关,但与波源的性质无关。 数学描述. 在数学上,任何一个沿某一方向运动的函数形状都可以认为是一个波。考虑一种最简单的情况:二维平面波,波的形状可以用formula_1平面上的曲线formula_2描述。 如果这个曲线沿着formula_3轴以formula_4的速度向右运动,不难看出,这样的函数应该满足如下方程:formula_5 如果沿x轴以ω的速度向左运动,则为:formula_6 以上两个方程都满足如下形式的微分方程: formula_7 这里c通常是一个固定常数,代表波的传播速率。这个方程称为一维波动方程。 它的通解可以表示为: formula_8 它表示一个向左传播的波和一个向右传播的波的叠加。 行进波. 行进波,又称行波、前进波,是一种在空间与时间里的扰动,可以表达为 formula_9; 其中,formula_10是波的振幅,formula_11是位置,formula_12是时间,formula_13是波数,formula_14是相数。 波的相速度formula_15可以表达为 formula_16; 其中,formula_17是波长。 一维简谐波. 一种最基本、最常见的波是简谐波。它可以表示为: formula_18 其中formula_19是波数,formula_4是角频率,formula_21是振幅。 波数倚赖于波长formula_22,formula_23。角频率倚赖于周期formula_24,formula_25。 波速formula_26。 驻波. "参见驻波" 影响波速的因素. 1.传播的介质种类 在固体中的波速最高,液体次之,气体最小(例如声音)。温度越高,空气分子运动的速率越快,传递波的速度亦愈快。在同一介质中,波的速率与频率无关。 2.温度的高低 温度越高,空气分子运动的速率越快,所以传递波的速度亦越快。在一大气压下,0℃时空气中的声速为331公尺/秒,温度每升降1℃,声速约增减0.6公尺/秒。 特征参量. 任何一种波都可以用如下的参量进行描述: 所有的波都携带能量,波带有动能和势能的特性。波所携带的能量常用波内单位体积所具有的能量来计量,叫波的能量密度。在单位时间内通过垂直于波矢的单位面积所传递的能量叫波的强度或能流密度,它是波的能量密度和波的传播速度的乘积。 formula_30formula_31formula_32formula_33 Δ formula_34formula_35formula_36 能量. 其中,formula_30是简谐运动能量,formula_38是频率。 formula_39 其中,formula_30是非力学波能量,formula_41是频率。 类型. 波根据振动源的次数可以分为 波在均匀、无向性的介质中传递时,依介质的振动方向分可以分为 如果在非均质介质中传递时,介质振动的行为就不是只有横向与纵向两种,亦存在像表面波、海浪这种类型的振动。譬如:雷利波其振动方式为椭圆形。 依波动传递需要介质来划分,波可以分为 传播. 有些波的传播需要介质,比如声波等机械波。有些则不需要介质,在真空中也能传播。如电磁波。 波在介质中传播时,介质的质点并未随波前进,而是在原处附近运动。 波的行进速度v为其频率f和波长λ的乘积,即波长λ和周期T的比值:formula_42 波在绳子上传播时,波的行进速度v(SI单位m/s)与绳子所受的张力F(单位N)及绳子的线密度μ(单位kg/m)有关:formula_43 量子. 每种波有相应的量子,譬如:
波
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