機(jī)械波

機(jī)械波：機(jī)械振動(dòng)在介質(zhì)中的傳播過(guò)程叫機(jī)械波。^[1]

機(jī)械波

1.要有做機(jī)械振動(dòng)的物體作為波源。

2.是要有能夠傳播機(jī)械振動(dòng)的介質(zhì)。^[1]

1、機(jī)械振動(dòng)在媒質(zhì)中的傳播稱(chēng)為機(jī)械波。產(chǎn)生機(jī)械波首先要有作機(jī)械振動(dòng)的物體,亦即波源; 其次要有能夠傳播這種機(jī)械振動(dòng)的媒質(zhì),只有通過(guò)媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)間的相互作用,才可能把機(jī)械振動(dòng)向外傳播。例如,人發(fā)出的聲波是機(jī)械波,聲帶是波源,空氣是傳播機(jī)械振動(dòng)的媒質(zhì)。

2、一類(lèi)是由于紡紗機(jī)械上與牽伸有關(guān)的旋轉(zhuǎn)部件的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)不正常而造成的周期性變異,稱(chēng)為機(jī)械波,在波譜圖上表現(xiàn)為“煙筒”狀突起,如果當(dāng)PB>12時(shí),則該機(jī)械波對(duì)織物外觀影響較大。

3、稱(chēng)為機(jī)械波.這種波在波譜圖上表現(xiàn)為某波長(zhǎng)的波幅突然升高.機(jī)械波的峰高超過(guò)該波長(zhǎng)的基本波譜高度的50%時(shí),將對(duì)織物產(chǎn)生不良影響。

4、造成紗條粗細(xì)不勻呈規(guī)則變化,這種現(xiàn)象稱(chēng)為“機(jī)械波”.在波譜圖上機(jī)械波的基本波形為許多凸起長(zhǎng)條構(gòu)成的平滑曲線(xiàn),當(dāng)某一波長(zhǎng)處有偶發(fā)性高凸起時(shí)為有害機(jī)械波俗稱(chēng)“煙囪”。

5、音頻檢測(cè)基本原理：聲學(xué)測(cè)量原理機(jī)械振動(dòng)在介質(zhì)中的傳播過(guò)程稱(chēng)為機(jī)械波.聲波是機(jī)械波的一種是在彈性介質(zhì)中傳播的縱波其頻率在20～20000Hz范圍內(nèi)。^[2]

常見(jiàn)的機(jī)械波有：水波、聲波、地震波。

機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)械波，機(jī)械波的傳遞一定要有介質(zhì),有機(jī)械振動(dòng)但不一定有機(jī)械波產(chǎn)生。

形成條件

波源也稱(chēng)振源，指能夠維持振動(dòng)的傳播，不間斷的輸入能量，并能發(fā)出波的物體或物體所在的初始位置。波源即是機(jī)械波形成的必要條件，也是電磁波形成的必要條件。

波源可以認(rèn)為是第一個(gè)開(kāi)始振動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)，波源開(kāi)始振動(dòng)后，介質(zhì)中的其他質(zhì)點(diǎn)就以波源的頻率做受迫振動(dòng)，波源的頻率等于波的頻率。

廣義的介質(zhì)可以是包含一種物質(zhì)的另一種物質(zhì)。在機(jī)械波中，介質(zhì)特指機(jī)械波借以傳播的物質(zhì)。僅有波源而沒(méi)有介質(zhì)時(shí)，機(jī)械波不會(huì)產(chǎn)生，例如，真空中的鬧鐘無(wú)法發(fā)出聲音。機(jī)械波在介質(zhì)中的傳播速率是由介質(zhì)本身的固有性質(zhì)決定的。在不同介質(zhì)中，波速是不同的。

下表給出了0℃時(shí)，聲波在不同介質(zhì)的傳播速度，數(shù)據(jù)取自《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)-物理（選修3-4）》(2005年)[1]。單位v/m·s^-1

傳播方式與特點(diǎn)

繩波

機(jī)械波在傳播過(guò)程中，每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)都只做上下（左右）的簡(jiǎn)諧振動(dòng)，即，質(zhì)點(diǎn)本身并不隨著機(jī)械波的傳播而前進(jìn)，例如：人的聲帶不會(huì)隨著聲波的傳播而離開(kāi)口腔。

為了說(shuō)明機(jī)械波在傳播時(shí)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，現(xiàn)以繩波（右圖）為例進(jìn)行介紹，其他形式的機(jī)械波同理。

繩波繩波是一種簡(jiǎn)單的橫波，在日常生活中，我們拿起一根繩子的一端進(jìn)行一次抖動(dòng)，就可以看見(jiàn)一個(gè)波形在繩子上傳播，如果連續(xù)不斷地進(jìn)行周期性上下抖動(dòng)，就形成了繩波。

把繩分成許多小部分，每一小部分都看成一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，相鄰兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)間，有彈力的相互作用。第一個(gè)質(zhì)點(diǎn)在外力作用下振動(dòng)后，就會(huì)帶動(dòng)第二個(gè)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)，只是質(zhì)點(diǎn)二的振動(dòng)比前者落后。這樣，前一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)帶動(dòng)后一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，依次帶動(dòng)下去，振動(dòng)也就發(fā)生區(qū)域向遠(yuǎn)處的傳播，從而形成了繩波。如果在繩子上任取一點(diǎn)系上紅布條，我們還可以發(fā)現(xiàn)，紅布條只是在上下振動(dòng)，并沒(méi)有隨波前進(jìn)。

由此，我們可以發(fā)現(xiàn)，介質(zhì)中的每個(gè)質(zhì)點(diǎn)，在波傳播時(shí)，都只做簡(jiǎn)諧振動(dòng)（可以是上下，也可以是左右），機(jī)械波可以看成是一種運(yùn)動(dòng)形式的傳播，質(zhì)點(diǎn)本身不會(huì)沿著波的傳播方向移動(dòng)?！?/p>

機(jī)械波傳播的本質(zhì)

惠更斯原理

在機(jī)械波傳播的過(guò)程中，介質(zhì)里本來(lái)相對(duì)靜止的質(zhì)點(diǎn)，隨著機(jī)械波的傳播而發(fā)生振動(dòng)，這表明這些質(zhì)點(diǎn)獲得了能量，這個(gè)能量是從波源通過(guò)前面的質(zhì)點(diǎn)依次傳來(lái)的。所以，機(jī)械波傳播的實(shí)質(zhì)是能量的傳播，這種能量可以很小，也可以很大，海洋的潮汐能甚至可以用來(lái)發(fā)電，這是維持機(jī)械波（水波）傳播的能量轉(zhuǎn)化成了電能。

惠更斯原理

惠更斯原理(Huygens principle)，惠更斯原理用于解釋球面波和平面波的傳播，此外還可以解釋波的反射、衍射的現(xiàn)象。

在總結(jié)許多實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，荷蘭科學(xué)家惠更斯提出：介質(zhì)中波陣面上每一個(gè)點(diǎn)（有無(wú)數(shù)個(gè)）都可以看成一個(gè)新的波源，這些新的波源發(fā)出的子波。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，這些子波的包絡(luò)面就構(gòu)成下一時(shí)刻的波面。

根據(jù)惠更斯原理，我們可以解釋球面波的波面是怎樣形成的，右上圖中，點(diǎn)波源O發(fā)出的波在t時(shí)刻的波面是一個(gè)球面S，該球面上每一個(gè)點(diǎn)都可以看成一個(gè)新的點(diǎn)波源，它們各自向前發(fā)出球面子波，下一時(shí)刻（t △t）新的波面S'，就是這些子波波面相切的包絡(luò)面；平面波同理。

惠更斯原理的局限

①?zèng)]有說(shuō)明子波的強(qiáng)度分布問(wèn)題；

②沒(méi)有說(shuō)明波為什么只能向前傳播，而不向后傳播的問(wèn)題。

后來(lái)，菲涅耳對(duì)惠更斯原理作了重要的補(bǔ)充，形成惠更斯-菲涅耳原理，這些缺陷才被克服。

橫波與縱波

機(jī)械波波長(zhǎng)

隨著機(jī)械波的傳播，介質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)起來(lái)。根據(jù)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向和波傳播的傳播方向之間的關(guān)系，可以把機(jī)械波分為橫波和縱波兩類(lèi)。

橫波(transverse wave)

物理學(xué)中把質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向垂直的波，稱(chēng)作橫波。在橫波中，凸起的最高處稱(chēng)為波峰，凹下的最低處稱(chēng)為波谷。

繩波是常見(jiàn)的橫波。

縱波(longitudinal wave)

物理學(xué)中把質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向在同一直線(xiàn)的波，稱(chēng)作縱波。質(zhì)點(diǎn)在縱波傳播時(shí)來(lái)回振動(dòng)，其中質(zhì)點(diǎn)分布最密集的地方稱(chēng)為密部，質(zhì)點(diǎn)分布最稀疏的地方稱(chēng)為疏部。
聲波是常見(jiàn)的縱波[1]。

圖像描述（波形曲線(xiàn)）

簡(jiǎn)諧波的波形曲線(xiàn)

如果在繩子波動(dòng)的某個(gè)時(shí)刻拍下照片，就能得到該時(shí)刻的波形。這個(gè)波形是由同一時(shí)刻具有不同位移的繩上各質(zhì)點(diǎn)組成的。如果在波形上添加一個(gè)坐標(biāo)系，就可以得到該時(shí)刻這個(gè)波的圖像。用橫坐標(biāo)x表示沿波傳播方向上各個(gè)質(zhì)點(diǎn)的平衡位置，用縱坐標(biāo)y表示各個(gè)質(zhì)點(diǎn)離開(kāi)平衡位置的大小，規(guī)定位移方向向上為正值。在坐標(biāo)平面上，以某一時(shí)刻各個(gè)質(zhì)點(diǎn)的x、y值描出各對(duì)應(yīng)點(diǎn)，在用光滑的曲線(xiàn)連接起來(lái)，就得到該時(shí)刻波的圖像，也稱(chēng)波形曲線(xiàn)或波形。在波的圖像上，通常用箭頭表示出波的傳播方向。

波形曲線(xiàn)與振動(dòng)圖像有差別，振動(dòng)圖像是振動(dòng)物體在不同時(shí)刻的位移，而波形曲線(xiàn)則是一個(gè)特定時(shí)刻所有質(zhì)點(diǎn)的位移。
波形曲線(xiàn)上，我們可以讀出同一時(shí)刻所有質(zhì)點(diǎn)的位移、方向，以及波長(zhǎng)、周期等物理量。

簡(jiǎn)諧波的波形曲線(xiàn)簡(jiǎn)諧波(simple harmonic wave)

如果介質(zhì)中各個(gè)質(zhì)點(diǎn)做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，它所形成的波就是一種最基本、最簡(jiǎn)單的波，稱(chēng)為簡(jiǎn)諧波，它的波形是正弦（或余弦）曲線(xiàn)。其他波可以看成是若干個(gè)簡(jiǎn)諧波合成的[1]。

物理量描述

描述機(jī)械波的物理量同樣適用于電磁波，因此，這里“機(jī)械波”簡(jiǎn)稱(chēng)“波”

波長(zhǎng)(wave length)

沿著波的傳播方向，兩個(gè)相鄰的、相對(duì)平衡位置的位移和振動(dòng)方向總是相同的質(zhì)點(diǎn)間的距離稱(chēng)作波長(zhǎng)，常用λ表示。在橫波中，波長(zhǎng)等于“波峰-波峰”的長(zhǎng)度或“波谷-波谷”的長(zhǎng)度；在縱波中，波長(zhǎng)等于“密部-密部”或“疏部-疏部”的長(zhǎng)度。

頻率與周期

波上任意一個(gè)質(zhì)點(diǎn)完成一次全振動(dòng)所需時(shí)間稱(chēng)為周期，常用T表示；介質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)每秒完成全振動(dòng)的次數(shù)叫做波的頻率，常用f表示。頻率是周期的倒數(shù)。

波速(wave speed)

波速為波長(zhǎng)和頻率的乘積（v=λf），表示波在的傳播速度。機(jī)械波在特定介質(zhì)中的傳播速度是固定的[1]。

機(jī)械波的物理性質(zhì)同樣適用于電磁波，因此，這里“機(jī)械波”簡(jiǎn)稱(chēng)“波”。

波的折射(refraction of wave)

在物理學(xué)中，我們把波在傳播過(guò)程中，由一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，傳播方向發(fā)生改變的現(xiàn)象稱(chēng)為折射。

在波的折射中入射波的波線(xiàn)與法線(xiàn)的夾角稱(chēng)為入射角，用i表示；折射波的波線(xiàn)與法線(xiàn)的夾角叫做折射角，用r表示。

折射定律

進(jìn)一步研究表明，波在發(fā)生折射時(shí)，入射角與折射角存在如下關(guān)系：

(sini)/(sinr)＝v1/v2＝λ1/λ2

v為波速；λ為波長(zhǎng)

這一定律在光學(xué)中被稱(chēng)作斯涅耳定律。

波的反射(reflection of wave)

在物理學(xué)中，把波遇到障礙時(shí)反射回來(lái)繼續(xù)傳播的現(xiàn)象稱(chēng)為波的反射。

反射定律 

反射波線(xiàn)、入射波線(xiàn)和法線(xiàn)在同一平面內(nèi)，反射波線(xiàn)與入射波線(xiàn)分別位于法線(xiàn)兩側(cè)，入射角等于反射角。

波的干涉

波的干涉(interference of wave)

波的干涉頻率相同的兩列波疊加，使某些區(qū)域的振動(dòng)加強(qiáng)，某些區(qū)域的振動(dòng)減弱，而且振動(dòng)加強(qiáng)的區(qū)域和振動(dòng)減弱的區(qū)域相互隔開(kāi)。這種現(xiàn)象叫做波的干涉。

產(chǎn)生干涉的一個(gè)必要條件是，兩列波的頻率必須相同或者有固定的相位差。如果兩列波的頻率不同或者兩個(gè)波源沒(méi)有固定的相位差（相差），相互疊加時(shí)波上各個(gè)質(zhì)點(diǎn)的振幅是隨時(shí)間而變化的，沒(méi)有振動(dòng)總是加強(qiáng)或減弱的區(qū)域，因而不能產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉現(xiàn)象，不能形成干涉圖樣。

兩列波的相干條件是：

①頻率相同

②振動(dòng)方向相同

③相位相同或相位差恒定

波的疊加原理 

波的疊加原理包含了兩點(diǎn)：

①各波源所激發(fā)的波可以在同一介質(zhì)中獨(dú)立地傳播，它們相遇后再分開(kāi)，其傳播情況（頻率、波長(zhǎng)、傳播方向、周相等）與未遇時(shí)相同，互不干擾，就好像其他波不存在一樣；

②在相遇區(qū)域里各點(diǎn)的振動(dòng)是各個(gè)波在該點(diǎn)所引起的振動(dòng)的矢量和。

波的衍射(diffraction of wave)

波的衍射

波的衍射衍射是波的特有現(xiàn)象，一切波都能發(fā)生衍射。

①波可以繞過(guò)障礙物繼續(xù)傳播，這種現(xiàn)象叫做波的衍射。

②觀察到明顯衍射的條件：只有縫、孔的寬度或障礙物的尺寸跟波長(zhǎng)相差不多或者比波長(zhǎng)更小時(shí)，才能觀察到明顯的衍射現(xiàn)象。

③相對(duì)于波長(zhǎng)而言，障礙物的線(xiàn)度越大衍射現(xiàn)象越不明顯，障礙物的線(xiàn)度越小衍射現(xiàn)象越明顯。

參見(jiàn)：多普勒效應(yīng)  

水波的多普勒效應(yīng)

水波的多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)是為紀(jì)念?yuàn)W地利物理學(xué)家及數(shù)學(xué)家克里斯琴·約翰·多普勒（Christian Johann Doppler）而命名的，他于1842年首先提出了這一理論。多普勒認(rèn)為，物體輻射的波長(zhǎng)因?yàn)楣庠春陀^測(cè)者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生變化。在運(yùn)動(dòng)的波源前面，波被壓縮，波長(zhǎng)變得較短，頻率變得較高 (藍(lán)移 (blue shift))。在運(yùn)動(dòng)的波源后面，產(chǎn)生相反的效應(yīng)。波長(zhǎng)變得較長(zhǎng)，頻率變得較低 (紅移 (red shift))。波源的速度越高，所產(chǎn)生的效應(yīng)越大。根據(jù)光波紅/藍(lán)移的程度，可以計(jì)算出波源循著觀測(cè)方向運(yùn)動(dòng)的速度。恒星光譜線(xiàn)的位移顯示恒星循著觀測(cè)方向運(yùn)動(dòng)的速度。除非波源的速度非常接近光速，否則多普勒位移的程度一般都很小。所有波動(dòng)現(xiàn)象 (包括光波) 都存在多普勒效應(yīng)。^[3][4]