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機械波（機械振動在介質中的傳播）

次瀏覽 | 更新時間：2023-05-31

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機械波是一種機械振動在介質中的傳播過程，它需要特定的介質來傳播，不能在真空中傳播。機械波與電磁波類似，但它們的產生機制不同。機械波的傳播速度取決于特定介質的性質，不同介質中的傳播速度也不同。

機械波

機械振動在介質中的傳播

機械振動在介質中的傳播稱為機械波（mechanical wave）。機械波與電磁波既有相似之處又有不同之處，機械波由機械振動產生，電磁波由電磁振蕩產生；機械波的傳播需要特定的介質，在不同介質中的傳播速度也不同，在真空中根本不能傳播。

基本信息

中文名	機械波
外文名	mechanical wave
釋義	機械振動在介質中的傳播稱為機械波
分類	橫波和縱波

定義

機械波

機械波：機械振動在介質中的傳播過程叫機械波。

產生的條件

機械波

1.要有做機械振動的物體作為波源。

2.是要有能夠傳播機械振動的介質。

解釋

1、機械振動在媒質中的傳播稱為機械波。產生機械波首先要有作機械振動的物體，亦即波源;其次要有能夠傳播這種機械振動的媒質，只有通過媒質質點間的相互作用，才可能把機械振動向外傳播。例如，人發(fā)出的聲波是機械波，聲帶是波源，空氣是傳播機械振動的媒質。

2、一類是由于紡紗機械上與牽伸有關的旋轉部件的運轉狀態(tài)不正常而造成的周期性變異，稱為機械波，在波譜圖上表現為“煙筒”狀突起，如果當

時，則該機械波對織物外觀影響較大。

3、稱為機械波。這種波在波譜圖上表現為某波長的波幅突然升高。機械波的峰高超過該波長的基本波譜高度的50%時，將對織物產生不良影響。

4、造成紗條粗細不勻呈規(guī)則變化，這種現象稱為“機械波”.在波譜圖上機械波的基本波形為許多凸起長條構成的平滑曲線，當某一波長處有偶發(fā)性高凸起時為有害機械波俗稱“煙囪”。

5、音頻檢測基本原理：聲學測量原理機械振動在介質中的傳播過程稱為機械波。聲波是機械波的一種是在彈性介質中傳播的縱波其頻率在20～20000Hz范圍內。

簡介

常見的機械波有：水波、聲波、地震波。

機械振動產生機械波，機械波的傳遞一定要有介質,有機械振動但不一定有機械波產生。

形成與傳播

形成條件

波源也稱振源，指能夠維持振動的傳播，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。

波源可以認為是第一個開始振動的質點，波源開始振動后，介質中的其他質點就以波源的頻率做受迫振動，波源的頻率等于波的頻率。

廣義的介質可以是包含一種物質的另一種物質。在機械波中，介質特指機械波借以傳播的物質。僅有波源而沒有介質時，機械波不會產生，例如，真空中的鬧鐘無法發(fā)出聲音。機械波在介質中的傳播速率是由介質本身的固有性質決定的。在不同介質中，波速是不同的。

下表給出了

時，聲波在不同介質的傳播速度，數據取自《普通高中課程標準實驗教科書-物理（選修3-4）》(2005年)[1]。單位

介質	空氣	純水	鹽水	橡膠	軟木	銅	鐵
波速	332	1490	1531	30--50	480	3800	4900

傳播方式與特點

（圖）繩波

機械波在傳播過程中，每一個質點都只做上下（左右）的簡諧振動，即，質點本身并不隨著機械波的傳播而前進，例如：人的聲帶不會隨著聲波的傳播而離開口腔。

為了說明機械波在傳播時質點運動的特點，現以繩波（右圖）為例進行介紹，其他形式的機械波同理。

由此，我們可以發(fā)現，介質中的每個質點，在波傳播時，都只做簡諧振動（可以是上下，也可以是左右），機械波可以看成是一種運動形式的傳播，質點本身不會沿著波的傳播方向移動。

機械波傳播的本質

（圖）惠更斯原理

在機械波傳播的過程中，介質里本來相對靜止的質點，隨著機械波的傳播而發(fā)生振動，這表明這些質點獲得了能量，這個能量是從波源通過前面的質點依次傳來的。所以，機械波傳播的實質是能量的傳播，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發(fā)電，這是維持機械波（水波）傳播的能量轉化成了電能。

質點的運動

機械波在傳播過程中，每一個質點都只做上下(左右)的簡諧振動，即，質點本身并不隨著機械波的傳播而前進，也就是說，機械波的一質點運動是沿一水平直線進行的。例如：人的聲帶不會隨著聲波的傳播而離開口腔。簡諧振動做等幅震動，理想狀態(tài)下可看作做能量守恒的運動。阻尼振動為能量逐漸損失的運動.

為了說明機械波在傳播時質點運動的特點，現已繩波(右下圖)為例進行介紹，其他形式的機械波同理[1]。

繩波是一種簡單的橫波，在日常生活中，我們拿起一根繩子的一端進行一次抖動，就可以看見一個波形在繩子上傳播，如果連續(xù)不斷地進行周期性上下抖動，就形成了繩波[1]。

把繩分成許多小部分，每一小部分都看成一個質點，相鄰兩個質點間，有彈力的相互作用。第一個質點在外力作用下振動后，就會帶動第二個質點振動，只是質點二的振動比前者落后。這樣，前一個質點的振動帶動后一個質點的振動，依次帶動下去，振動也就發(fā)生區(qū)域向遠處的傳播，從而形成了繩波。如果在繩子上任取一點系上紅布條，我們還可以發(fā)現，紅布條只是在上下振動，并沒有隨波前進[1]。

由此，我們可以發(fā)現，介質中的每個質點，在波傳播時，都只做簡諧振動(可以是上下，也可以是左右)，機械波可以看成是一種運動形式的傳播，質點本身不會沿著波的傳播方向移動。

對質點運動方向的判定有很多方法，比如對比前一個質點的運動；還可以用"上坡下，下坡上"進行判定，即沿著波的傳播方向，向上遠離平衡位置的質點向下運動，向下遠離平衡位置的質點向上運動。

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、衍射的現象。

在總結許多實驗的基礎上，荷蘭科學家惠更斯提出：介質中波陣面上每一個點（有無數個）都可以看成一個新的波源，這些新的波源發(fā)出的子波。經過一定時間后，這些子波的包絡面就構成下一時刻的波面。

根據惠更斯原理，我們可以解釋球面波的波面是怎樣形成的，右上圖中，點波源O發(fā)出的波在t時刻的波面是一個球面S，該球面上每一個點都可以看成一個新的點波源，它們各自向前發(fā)出球面子波，下一時刻（

）新的波面S'，就是這些子波波面相切的包絡面；平面波同理。

惠更斯原理的局限

①沒有說明子波的強度分布問題；

②沒有說明波為什么只能向前傳播，而不向后傳播的問題。

后來，菲涅耳對惠更斯原理作了重要的補充，形成惠更斯-菲涅耳原理，這些缺陷才被克服。

基本分類

橫波與縱波

（圖）機械波波長

隨著機械波的傳播，介質中的質點振動起來。根據質點的振動方向和波傳播的傳播方向之間的關系，可以把機械波分為橫波和縱波兩類。

橫波(transverse wave)

物理學中把質點的振動方向與波的傳播方向垂直的波，稱作橫波。在橫波中，凸起的最高處稱為波峰，凹下的最低處稱為波谷。

繩波是常見的橫波。

縱波(longitudinal wave)

物理學中把質點的振動方向與波的傳播方向在同一直線的波，稱作縱波。質點在縱波傳播時來回振動，其中質點分布最密集的地方稱為密部，質點分布最稀疏的地方稱為疏部。

聲波是常見的縱波[1]。

描述

圖像描述（波形曲線）

（圖）簡諧波的波形曲線

如果在繩子波動的某個時刻拍下照片，就能得到該時刻的波形。這個波形是由同一時刻具有不同位移的繩上各質點組成的。如果在波形上添加一個坐標系，就可以得到該時刻這個波的圖像。用橫坐標x表示沿波傳播方向上各個質點的平衡位置，用縱坐標y表示各個質點離開平衡位置的大小，規(guī)定位移方向向上為正值。在坐標平面上，以某一時刻各個質點的x、y值描出各對應點，在用光滑的曲線連接起來，就得到該時刻波的圖像，也稱波形曲線或波形。在波的圖像上，通常用箭頭表示出波的傳播方向。

波形曲線與振動圖像有差別，振動圖像是振動物體在不同時刻的位移，而波形曲線則是一個特定時刻所有質點的位移。

波形曲線上，我們可以讀出同一時刻所有質點的位移、方向，以及波長、周期等物理量。

簡諧波的波形曲線簡諧波(simple harmonic wave)

如果介質中各個質點做簡諧運動，它所形成的波就是一種最基本、最簡單的波，稱為簡諧波，它的波形是正弦（或余弦）曲線。其他波可以看成是若干個簡諧波合成的[1]。

物理量描述

描述機械波的物理量同樣適用于電磁波，因此，這里“機械波”簡稱“波”

波長(wave length)

沿著波的傳播方向，兩個相鄰的、相對平衡位置的位移和振動方向總是相同的質點間的距離稱作波長，常用λ表示。在橫波中，波長等于“波峰-波峰”的長度或“波谷-波谷”的長度；在縱波中，波長等于“密部-密部”或“疏部-疏部”的長度。

頻率與周期

波上任意一個質點完成一次全振動所需時間稱為周期，常用T表示；介質中的質點每秒完成全振動的次數叫做波的頻率，常用f表示。頻率是周期的倒數。

波速(wave speed)

波速為波長和頻率的乘積（

），表示波在的傳播速度。機械波在特定介質中的傳播速度是固定的[1]。

物理性質

機械波的物理性質同樣適用于電磁波，因此，這里“機械波”簡稱“波”。

波的折射(refraction of wave)

在物理學中，我們把波在傳播過程中，由一種介質進入另一種介質時，傳播方向發(fā)生改變的現象稱為折射。

在波的折射中入射波的波線與法線的夾角稱為入射角，用i表示；折射波的波線與法線的夾角叫做折射角，用r表示。

折射定律

進一步研究表明，波在發(fā)生折射時，入射角與折射角存在如下關系：

v為波速；λ為波長

這一定律在光學中被稱作斯涅耳定律。

波的反射(reflection of wave)

在物理學中，把波遇到障礙時反射回來繼續(xù)傳播的現象稱為波的反射。

反射定律

反射波線、入射波線和法線在同一平面內，反射波線與入射波線分別位于法線兩側，入射角等于反射角。

（圖）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)域的振動加強，某些區(qū)域的振動減弱，而且振動加強的區(qū)域和振動減弱的區(qū)域相互隔開。這種現象叫做波的干涉。

產生干涉的一個必要條件是，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波源沒有固定的相位差（相差），相互疊加時波上各個質點的振幅是隨時間而變化的，沒有振動總是加強或減弱的區(qū)域，因而不能產生穩(wěn)定的干涉現象，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：

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

②在相遇區(qū)域里各點的振動是各個波在該點所引起的振動的矢量和。

波的衍射(diffraction of wave)

（圖）波的衍射

波的衍射衍射是波的特有現象，一切波都能發(fā)生衍射。

①波可以繞過障礙物繼續(xù)傳播，這種現象叫做波的衍射。

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相差不多或者比波長更小時，才能觀察到明顯的衍射現象。

③相對于波長而言，障礙物的線度越大衍射現象越不明顯，障礙物的線度越小衍射現象越明顯。

多普勒效應

參見：多普勒效應

（圖）水波的多普勒效應

水波的多普勒效應多普勒效應是為紀念奧地利物理學家及數學家克里斯琴·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。多普勒認為，物體輻射的波長因為光源和觀測者的相對運動而產生變化。在運動的波源前面，波被壓縮，波長變得較短，頻率變得較高 (藍移 (blue shift))。在運動的波源后面，產生相反的效應。波長變得較長，頻率變得較低 (紅移 (red shift))。波源的速度越高，所產生的效應越大。根據光波紅/藍移的程度，可以計算出波源循著觀測方向運動的速度。恒星光譜線的位移顯示恒星循著觀測方向運動的速度。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。所有波動現象 (包括光波) 都存在多普勒效應。

參考資料

[1]

CNKI概念知識元庫[引用日期2012-02-06]