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机械波|微平移法|机械波公式总结

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机械波

高中物理选修3-4的教材中提到了机械波的定义:机械振动在介质中的传播称为机械波。从定义能够看出,机械波是一种运动模式。

常见的机械波有:水波、声波、地震波。

高中物理选修3-4还会有电磁波的学习。在这里做一个简要的介绍:机械波与电磁波既有相似之处又有不同之处,机械波由机械振动产生,电磁波由电磁振荡产生;

机械波的传播需要特定的介质,在不同介质中的传播速度也不同,在真空中根本不能传播,而电磁波(例如光波)可以在真空中传播;

机械波可以是横波和纵波,但电磁波只能是横波(电磁波中的光也是横波);

同样都是波,机械波与电磁波具有一些共同的物理性质,如:都会表现出折射、反射、衍射与干涉等现象,而且描述它们的物理量(如波长、波速、频率、周期、振幅等)也是相同的。

机械波案例:水纹波图样

机械波的传播

借助一个具体的案例,王尚老师帮助同学们把机械波的概念梳理一下。

如下图所示,人的手在上下周期性机械振动。这种振动就犹如单摆振动一样,只不过是上下振动模式。

如果人的手中,拿着一根很长绳子(绳子另外一端固定,且绳子不是完全绷紧的),那么我们根据常识,就会发现绳子会有如下图所示的类似波浪的波动。

这种运动模式,就是人的手的振动在绳子上的传播,就是机械波(见上述机械波的定义)。

对初学者而言,机械波是一个较为抽象、难理解的概念,希望同学们以后遇到机械波概念的问题,都能够想到这个模型。

机械波示意图

 机械波方向判定

这里说的机械波方向判定,指的是横波的图像问题求解。机械波方向一般采用微平移法来判定。什么是微平移法呢?

微平移法指的是,作出经微小时间后的波形,通过与原波形的对比,就知道了各质点经过这个极小的时间后到达的位置,即可判定某个质点的运动方向。

反之,也可以通过某个质点的运动方向,借助微平移法反推波的运动方向。具体参考下方案例进行使用说明:

如下图所示,某横波在某时刻向右传播,波形如图实线所示,请判定质点A此时的振动方向。

微平移法判定机械波

如上图所示,画出原波形向右传播经过一小段时间之后的波形,如图中虚线所示。

通过分析,我们会发现,经过这样的一小段时间后,质点A的位置比原位置向下移动的若干。

所以,质点A的振动方向是向下的(如下图所示)。

微平移法的应用举例

同学们可以反推,如果已知质点A的振动方向是向下的,试一试能否推导出波是向右传播的?

揉入了假设法和递推关系的机械波图像问题是高考物理的常考点与难度,建议同学们利用王尚老师物理自诊断中的视频来认真学习。

高中物理机械波公式

机械波公式主要是围绕波速展开的,机械波波速公式主要有如下三个:

(1)u=λ/T

公式中,u为波速,T为周期,λ为波长。

(2)u=λf

公式中,u为波速,f为频率,λ为波长。

(3)u=△x/△t

公式中,u为波速,△x为沿着波的方向传递的位移,△t为波走△x位移所对应的时间。

机械波和电磁波的区别

机械波和电磁波的区别非常的明显,首先,两者的产生机理完全不同:

机械波是由物体的机械运动产生的,而电磁波则是由电磁振荡产生电、磁场交替传播。

另外,两者的传播也不同。机械波的传播需要介质,而电磁波不需要。最为简单的案例,便是声音不能在真空中传播,而电磁波可以。

电磁场

机械振动与机械波的联系与区别

振动、波动现象既有紧密的联系,又有本质的区别,掌握它们的联系和区别对正确把握和理解这两种运动形式以及迅速解答振动、波动的综合题有重要意义。

1. 从产生条件看:振动是波动的成因,波动是振动在介质中的传播,有波动必有振动,但是有振动未必有波动。所以产生机械波的条件是:1振动;2介质。

2. 从运动现象看:振动是单个质点在平衡位置的往复运动;波动是介质中大量质点依次振动而形成的,波动中每个质点的运动都是在各自的平衡位置附近做振动,但是,各个质点的振动有先后,而且质点并不随波的传播而迁移。

3. 从运动性质看:振动是非匀速周期性运动,其位移、速度、加速度随时间作周期性变化;而波的传播是匀速运动,波速只与传播振动的介质有关,与振动本身无关,波传播的距离与时间关系为,但对于波上的每个质点来说,它的运动只是振动,其振动周期等于振源的周期。

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