该波的振幅是最大位移,关于平衡位置的点的波的经验。在我们周围的世界中,海浪无处不在,并以许多方式表现出来:在海洋中,在产生声音的乐器的弦上和声音中,在光中,在地球表面等等。
产生波浪并研究其行为的一种方法是观察具有固定端的弦的振动。通过在另一端产生干扰,琴弦的每个粒子都会振荡,因此干扰的能量会沿其整个长度以一系列脉冲的形式传输。
波浪在自然界中以多种方式表现出来。资料来源:
随着能量的传播,假定是完全弹性的弦将呈现典型的正弦曲线形状,其波峰和波谷如下图所示。
波幅的特征和意义
振幅A是波峰与参考轴之间或水平0之间的距离。如果需要,则在谷与参考轴之间。如果琴弦中的干扰很小,则振幅A小。另一方面,如果干扰很强,则幅度将更大。
描述波的模型由正弦曲线组成。波幅是波峰或波谷与参考轴之间的距离。资料来源:PACO
振幅值也是波所携带能量的量度。直观地知道,较大的振幅与较高的能量有关。
实际上,能量与幅度的平方成正比,数学上表示为:
我∝A 2
我在哪里是波的强度,又与能量有关。
在示例中,弦中产生的波的类型属于机械波的类别。一个重要的特征是,弦中的每个粒子始终保持非常接近其平衡位置。
粒子不会在弦中移动或行进。他们上下摇摆。这在上图中用绿色箭头指示,但是波及其能量从左向右传播(蓝色箭头)。
在水中传播的海浪为说服自己提供了必要的证据。观察落入池塘中的叶子的运动,可以理解,它随水的运动而简单地振荡。它不会走得太远,当然,除非有其他力量为其提供其他运动。
图中所示的波形由重复图案组成,其中两个波峰之间的距离为波长λ。如果愿意,波长也可以将波上的两个相同点分开,即使它们不在波峰上也是如此。
波浪的数学描述
自然地,该波可以通过数学函数来描述。无论您要在时空上表示波,正弦和余弦之类的周期性函数都非常适合该任务。
如果我们将图中的垂直轴称为“ y”,将水平轴称为“ t”,则时间上的波动行为可以表示为:
y = A cos(ωt+δ)
对于这种理想的运动,琴弦的每个粒子都以简单的谐波运动进行振荡,这归因于与粒子产生的位移成正比的力。
在提出的方程式中,A,ω和δ是描述运动的参数,A是上面定义的振幅,是粒子相对于参考轴的最大位移。
余弦参数称为运动相位,而δ是相位常数,即t = 0时的相位。余弦函数和正弦函数都适合描述波,因为它们彼此之间只有π/不同。二。
通常,可以选择t = 0且δ= 0来简化表达式,从而获得:
y = A cos(ωt)
由于运动在空间和时间上都是重复的,因此存在一个特征时间,即周期T,它定义为粒子执行完全振荡所花费的时间。
时间波描述:特征参数
该图及时显示了对波浪的描述。现在,峰(或谷)之间的距离对应于波浪的周期。资料来源:PACO
现在,当相位增加值2π时,正弦和余弦都重复其值,因此:
ωT=2π→ω=2π/ T
ω被称为机芯的角频率,其大小与时间成反比,在国际体系中,其单位为弧度/秒或-1秒。
最后,运动频率 f 可以定义为周期的倒数或倒数。用单位时间的峰值数表示,在这种情况下:
f = 1 / T
ω=2πf
f和ω具有相同的尺寸和单位。除了-1秒(称为赫兹或赫兹)外,还经常听到每秒转数或每分钟转数的信息。
如果已知波长λ和频率f,则可以很容易地计算出必须注意的波速v与粒子所经历的波速不同:
v =λf
如果粒子所经历的振荡是简单谐波类型,则角频率和频率仅取决于振荡粒子的性质和系统的特性。波的幅度不影响这些参数。
例如,当用吉他弹奏音符时,即使以更大或更小强度弹奏音符,音符也将始终具有相同的音调,这样,即使在C音色中听到的声音更大或更柔和,C也会听起来像C。钢琴或吉他演奏。
实际上,由于耗散了能量,因此在材料介质中向各个方向传输的波都会衰减。因此,振幅随着距光源的距离r的倒数而减小,可以确认:
A∝1 / r
运动解决
该图显示了两个波的函数y(t),其中y以米为单位,t以秒为单位。对于每个发现:
a)振幅
b)期间
c)频率
d)每个波的正弦或余弦方程。
答案
a)使用网格直接从图中测量:蓝波:A = 3.5 m;紫红色波浪:A = 1.25 m
b)也可以从图中读取,确定两个连续的峰或谷之间的间隔:蓝波:T = 3.3秒;紫红色波T = 9.7秒
c)记住频率是周期的倒数,计算得出:蓝波:f = 0.302 Hz;紫红色波:f = 0.103 Hz。
d)蓝波:y(t)= 3.5 cos(ωt)= 3.5 cos(2πf.t)= 3.5 cos(1.9t)m;紫红色波:y(t)= 1.25 sin(0.65t)= 1.25 cos(0.65t + 1.57)
请注意,相对于蓝色,紫红色波的相位为π/ 2,可以用正弦函数表示。或余弦偏移π/ 2。