什么是波?

波,会让我们想起“水波”。“水波”就是指水面的起伏运动。

除了水波还有哪些波呢?其实波的形式有很多种,假如我们手握住绳子的一端,不停地上下抖动,就形成了波,如图

上图给人的感觉是绳子不停地向前方运动,但是实际上绳子上的每个质点(如A点)始终做上下运动。这种质点运动方向与波运动方向垂直的波称为横波

和横波对应的是纵波,生活中最常见的纵波是拉伸或收缩的弹簧,如图

图中弹簧上的每个质点都在向下运动,与波的传播方向一致。
说了这么多,我们只看到了水、绳子、弹簧,波在哪儿呢?其实,波不是实物,而是一种运动形式。物体运动就有能量,所以波是一种传输能量的方式。

波是怎样传递能量的呢?

我们以声波为例,声波从声源发出后,通过空气传输到人的耳朵里,耳膜就会随着声波振动,再通过神经系统传送到大脑中,人们就能分辨出声音了。

假设有人在说悄悄话,那么第三者是很难听到的,因为声音太小,也就是能量太小。

然而即使能量足够大,人耳也未必能听得到,因为还有频率限制。频者,重复也;率者,次数也;频率,是指重复之次数。

假设一人一天吃三顿饭,频率可以计算为3顿/天,再换算到秒为3/86400顿/秒,采用国际单位即为3/86400赫兹(赫兹是频率的单位,1秒1次即为1赫兹)。

假设有只可爱的猫,有时在一点声音也没有的情况下,它也会朝某个方向忽然奔跑过去,这很可能是因为它听到声音。只是这个声波的频率超出人耳的接受范围,所以人耳听不到,但是在猫耳的接受范围内。

那么问题来了,为什么猫能听到,人却听不到?这里面得要“共振”。

所谓共振,从字面上理解为:让一部分物体先振动起来,然后带动其他物体振动,进而达到共同振动的目的。但是,共振还需要其他的条件。比如荡秋千,秋千的摆动和推秋千的人施的力都具有周期性,只有当推动的频率和秋千摆动的频率成一定比例关系时,秋千才会越摆越高。也就是说推力要顺应秋千的摆动,否则秋千就会慢慢停止下来。

在声学中,共振又叫“共鸣”。当声音进入耳朵时,鼓膜随之振动(不一定是共振),然后鼓膜带着3块听小骨振动,听小骨又带着耳蜗振动。耳蜗就像一个蜗牛(要不然就不叫耳蜗了),它上面的每一小段都对应不同的共振频率,所以能感知某个频率范围内的声波。

除了共振,波还有哪些性质呢?

1.衍射。假设有人躲在一块大石头后面,但是他依然能听到石头前面传来的声音,这是因为声波能绕过障碍物继续传播。

2.干涉。当两列波相遇时,会发生你影响我、我也影响你的干涉现象。干涉的结果会随波的相遇点、振幅、频率、波速等因素的不同而变化。物理学中最常见的干涉实验是双缝干涉实验,同时这也是检验某个物体是否具有波动性的最好标准之一。

还有个有趣的干涉现象,当两列频率、振幅、波速一致但方向相反的波相遇时,可能会产生驻波

以横波为例,当驻波产生时,波只做上下运动,感觉它像驻足停留了一样,故而称之为驻波。

理想化的驻波有个很大的特点——能量不损失,能量在波的内部以两种或两种以上的形式相互转化。如图所示,能量在动能和势能之间相互转化。

水波、绳波、弹簧波、声波都是由机械振动引起的,所以称之为机械波

波的传播一般需要介质,波是能量的传递方式。电磁波例外,它的传播不需要介质。

比如,光就是一种电磁波,从太阳发出的光通过真空来到地球,证明了光这种电磁波在传播过程中并不需要介质。

 

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