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波动和振动中的相位

更新时间:作者:小小条


波动和振动中的相位

1.相位是弧度制的角度,是用来确定振动物体“位置”的。当(ωt+φ)确定了,做简谐运动的物体此时正处于一个运动周期中的哪个状态(位移、速度、加速度)就确定了。振动和波的核心内容是对振动状态的描述,相位就像一个运动状态的标签。物理学中把(ωt+φ)叫做相位,φ是t=0时的相位,称为初相位,或初相,相位差就是两个“位置”间的“距离”。

2.波在介质中传播时,振动的质点并没有随波迁移,波是振动状态的传播,相位决定振动状态,所以波也就是相位的传播。波速是相位在单位时间内传播的距离。波速不是实际物体的运动速度,它是相位传播的速度,因此也叫相速度,相位不是物质,相速度的大小不受相对论约束。一般来说,相速度是由介质的性质决定的,对特定的波来说,在均匀的各向同性的介质中,相速度是一个定值。

3.初相的大小与时间起点的选择(计时时刻)密切相关,而相位差与时间起点的选择无关。初相的确定至为关键,可以根据质点在某一时刻的位移大小和方向、速度方向,有时还要结合与另一质点在该时刻相位的超前或者滞后,利用旋转矢量图(一般逆时针旋转)来确定。

4.如何从相位的角度理解波的干涉中振动加强和振动减弱。

设相干波源S₁、S₂在t时刻的相位分别为Φ₁、Φ₂,P点到两个波源的距离分别为r₁、r₂,

①波源S₁、S₂在P点的振动相位

设P点的振动比波源S₁的振动相位滞后了ΔΦ₁,比波源S₂的振动相位滞后了ΔΦ₂,则t时刻波源S₁、S₂在P点引起振动的相位分别为Φ₁p=Φ₁⁻ΔΦ₁,Φ₂p=Φ₂⁻ΔΦ₂

②P点为振动加强点的条件

Φ₁p⁻Φ₂p=2kπ(k=0、1、2,...)

③P点为振动减弱点的条件

Φ₁p⁻Φ₂p=(2k+1)π,

(k=0、1、2,...)


5.波动方程:描述多个质点的集体振动,反映波在空间和时间上的传播规律,涉及位置和时间两个变量。

对于简谐波,若用余弦函数表示


波沿x轴负向传播,取“+”,波沿x轴正向传播,取“-”,即左加右减。初相Φ₀为坐标原点处质点的初相。

振动方程:描述单个质点的振动,仅与时间相关,不涉及空间位置。

对于简谐波,若用余弦函数表示

y=cos(ωt+Φ₀)

例1


用正弦表示,由旋转矢量图可知,初相为π/2,故选B

例2



做出波源处质点的旋转矢量图,用正弦函数表示,可知初相为π。


例3

由振动图像图(b)知,该质点在t=0时刻的运动方向沿y轴正向。由波动图像图(a)结合“上坡下下坡上”知,坐标原点处的质点在t=0时刻沿y轴负向运动,波沿x轴正向传播,画出旋转矢量图,得到t=0时刻x=0.30m处质点2落后于坐标原点处质点1的相位差。

例4:一列机械波沿x轴正向传播,t=0时的波形如图所示,已知波速为10m/s,波长为2m,求:


(1)波动方程;

(2)P点的振动方程,并绘出其振动曲线;

(3)P点的坐标;

(4)P点回到平衡位置所需的最短时间.


说明:1.利用旋转矢量图确定P点的初相时,因为P点的振动滞后坐标原点的振动,所以应该取负值。

2.利用旋转矢量图确定P点与坐标原点的相位差时,不能忽视P点的振动滞后于坐标原点的振动,也不能忽视P点与坐标原点平衡位置的距离小于一个波长,于是它们的相位差就小于2π。

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