医用物理波动课件

1、P.2/19波动学基础波动学基础魔术波魔术波声学显微镜声学显微镜(acoustic microscope)下看到的晶体管下看到的晶体管(transistor)图象图象超声波超声波(ultrasound) 探测到探测到母胎里胎儿母胎里胎儿(fetus) 的图象的图象P.3/19波动学基础波动学基础在黑暗中怎样发现蛾子在黑暗中怎样发现蛾子(moth)?没有光和声音没有光和声音, 蝎子蝎子(scorpion)怎样检测到甲虫怎样检测到甲虫(beetle)?P.4/19波动学基础波动学基础机械波是如何产生与传播的？机械波是如何产生与传播的？与波源的振动状态有关与波源的振动状态有关与介质的性质有关与介质的

2、性质有关波的频率会变吗？波的频率会变吗？波的频率与什么有关？波的频率与什么有关？冲击波如何形成？冲击波如何形成？P.5/19波动学基础波动学基础第第4章章 波动学基础波动学基础振动振动: :于平衡位置附近振动，不随波逐流于平衡位置附近振动，不随波逐流波动波动: : 振动在空间的传播振动在空间的传播 波源波源介质或真空介质或真空相位相位(状态状态)能量能量P.6/19波动学基础波动学基础P.7/19波动学基础波动学基础：机械振动在弹性介质中的传播过程：机械振动在弹性介质中的传播过程交变电磁场在空间的传播过程交变电磁场在空间的传播过程具有一定的传播速具有一定的传播速度，且都伴有能量的传播。能产生反

3、度，且都伴有能量的传播。能产生反射、折射、干涉和衍射等现象。射、折射、干涉和衍射等现象。微观粒子的运动微观粒子的运动, ,其本身具有的波粒二象性其本身具有的波粒二象性 P.8/19波动学基础波动学基础重点内容：重点内容： 平面简谐行波平面简谐行波特征量特征量波函数波函数波的能量波的能量机械波机械波产生的条件产生的条件波的能量波的能量波的干涉波的干涉波动的描述波动的描述波动方程波动方程基本物理量基本物理量关系关系干涉条件干涉条件加强减弱条件加强减弱条件驻波驻波声波声波艏波艏波多普勒效应多普勒效应电磁波电磁波P.9/19波动学基础波动学基础1. 机械波产生的条件机械波产生的条件1) 波源波源被传播

4、的机械振动被传播的机械振动 2) 弹性介质弹性介质任意质点离开平衡位置会受到弹性力任意质点离开平衡位置会受到弹性力作用作用. .在波源发生振动后在波源发生振动后, ,由于弹性力作用由于弹性力作用, ,会带动会带动邻邻近近的质点也以同样的频率振动的质点也以同样的频率振动. .这样这样, ,就把振动传播出去就把振动传播出去. . 故机械振动只能故机械振动只能在弹性介质中传在弹性介质中传播播. . 机械振动在弹性介质中的传播过程机械振动在弹性介质中的传播过程P.10/19波动学基础波动学基础横波横波(transverse wave) 纵波纵波(longitudinal wave)横波：横波：质点的振

5、动方向与波的传播方向垂直质点的振动方向与波的传播方向垂直纵波：纵波：质点的振动方向与波的传播方向平行质点的振动方向与波的传播方向平行软绳软弹簧软弹簧波的传播方向质点振动方向波的传播方向质点振动方向P.11/19波动学基础波动学基础 在机械波中在机械波中, ,横波只能在固体中出现；纵波可在气体、液体和横波只能在固体中出现；纵波可在气体、液体和固体中出现固体中出现. .空气中的声波是纵波空气中的声波是纵波. .液体表面情况较复杂液体表面情况较复杂. .横波存在波腹和波谷横波存在波腹和波谷 纵波存在相间的稀疏和稠密区域纵波存在相间的稀疏和稠密区域 2. 机械波的传播特征机械波的传播特征 1) 介质中

6、每一质点仅在各自平衡位置附近振动介质中每一质点仅在各自平衡位置附近振动. .不不随波逐流随波逐流. . 2) 介质中各质点之间沿波传播方向相位依次落后介质中各质点之间沿波传播方向相位依次落后. . 3) 经经 t后后, ,波形在传播波形在传播, ,能量在传播能量在传播. .P.12/19波动学基础波动学基础wave ray 从波源沿各传播方向所画的带箭头的线从波源沿各传播方向所画的带箭头的线, ,用以表示波的传播路径和传播方向用以表示波的传播路径和传播方向. .wave surface同相位面同相位面 : 波在传播过程中波在传播过程中, ,所有振所有振动相位相同的点连成的面动相位相同的点连成的

7、面. .wave front最前面的那个波面最前面的那个波面. . 波面波面波波线线波面波面波波线线1. 波线、波面和波前波线、波面和波前P.13/19波动学基础波动学基础wavelength振动状态完全相同的相邻两质振动状态完全相同的相邻两质点之间的距离点之间的距离. .period波形移过波形移过一个波长所需的时间一个波长所需的时间. .frequency单位时单位时间内波动前进距离中完整间内波动前进距离中完整波长的个数波长的个数. .wave speed u 单位时间内振单位时间内振动状态动状态(振动相位振动相位)的传播速度的传播速度, ,又称又称相速相速 phase velocity

8、. .机械波速取决机械波速取决于弹性介质的物理性质于弹性介质的物理性质. .Tu2. 波的特征量波的特征量：在空间、时间上具有周期性在空间、时间上具有周期性P.14/19波动学基础波动学基础(1) u 相位传播速度：在各向同性介质中为常数相位传播速度：在各向同性介质中为常数 v 质点振动速度质点振动速度:(2) 影响波速的因素：介质的特性影响波速的因素：介质的特性 (弹性模量弹性模量, ,介质的密度和温度介质的密度和温度) )sin(ddtAtyv二者在同一直线上：二者在同一直线上：纵波纵波 二者互相垂直：二者互相垂直：横波横波1) 固体固体横波：横波：Gu G为切变弹性模量为切变弹性模量纵波

9、：纵波：Yu Y为杨氏弹性模量为杨氏弹性模量P.15/19波动学基础波动学基础波速由弹性介质性质决定波速由弹性介质性质决定,频率频率( (或周期或周期) )则由波源的振动特则由波源的振动特性决定性决定. .(3) 波速与频率无关波速与频率无关。 2) 液体和气体液体和气体 (只能传播纵波只能传播纵波, ,不能传播横波不能传播横波. .)pu 理想气体：Bu 容变弹性模量容变弹性模量质量密度质量密度3) 绳索中的波速绳索中的波速Fu 张力张力线密度线密度P.16/19波动学基础波动学基础3. 波形曲线波形曲线描述某时刻描述某时刻, ,波线上各点位移的分布波线上各点位移的分布 (广义广义)：对纵波

10、对纵波, ,波形曲线是不是实际波形？波形曲线是不是实际波形？ 波形曲线如何反映纵波传播过程中介质质点的疏波形曲线如何反映纵波传播过程中介质质点的疏密情况？疏部中心、密部中心各在何处？密情况？疏部中心、密部中心各在何处？对横波：对横波：直观给出波峰、波谷位置直观给出波峰、波谷位置, ,波形波形2xO0tuP.17/19波动学基础波动学基础：波形曲线与振动曲线比较波形曲线与振动曲线比较 (见下页表见下页表)xu xO密部中心密部中心疏部中心疏部中心P.18/19波动学基础波动学基础图形图形研究研究对象对象物理物理意义意义特征特征某质点位移随时间某质点位移随时间变化规律变化规律某时刻，波线上各质点某

11、时刻，波线上各质点位移随位置变化规律位移随位置变化规律对确定质点曲线形状一定对确定质点曲线形状一定 曲线形状随曲线形状随 t 向前平移向前平移由波形曲线可知由波形曲线可知该时刻各质点位移该时刻各质点位移只有只有t=0时刻波形才能提供初相时刻波形才能提供初相波长波长 , 振幅振幅A某质点某质点 方向参看前一质点方向参看前一质点vA xPt0 vuOAtPt0TvO v由振动曲线可知由振动曲线可知某时刻某时刻方向参看下一时刻方向参看下一时刻初相初相周期周期 T 振幅振幅 A 0P.19/19波动学基础波动学基础4. 波函数（波动方程的积分形式）波函数（波动方程的积分形式） 建立波函数的依据建立波函数的依据 波的空间、时间波的空间、时间 沿波传播方向各质元振动状态沿波传播方向各质元振动状态(相位相位)