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武汉王工

    
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楼主

图解:驻波

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武汉王工

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1楼

最近天气热起来了,燥热难耐,搞得小编有一点声音就无法安心学习(暴躁)。

 

 

太热了

 

为了能够隔绝声音,小编想到了耳塞、耳罩,带起来都不太舒服;降噪耳机一方面是因为还要充电,另一方面是买不起。所以小编就打起了其他心思,不如把我隔绝起来,就听不到声音了!

 

可是声波的传播是需要空气的,我貌似不能离开空气。(失败而告终)

 

 

 

以失败而告终的小编

 

 

什么是波?

What is wave

那么什么是波呢?

 

 

一种波动

 

其实在物理学和数学等相关领域中,波是由于一个或多个场的干扰,从而使场的值围绕稳定的平衡值(静止值)反复振荡的结果。[1] 波可以将能量或者信息从一个位置传输到另一个位置。

 

常见的波是机械波,机械波必须依靠介质才能传播,比如沿着绳索传播的波。而最常见的机械波是声波。

 

 

上课铃声响起

 

声音由音源的振动产生,课堂上一般用音叉来演示声波的产生与传播。敲打音叉后,音叉的尖齿来回振动,扰动周围的空气分子。这些扰动通过粒子相互作用传递到相邻的空气分子上,这样音叉产生的声音就可以通过空气(介质)传播了。

 

 

熟悉的演示工具—音叉

 

并不是所有波的传播都需要介质,比如电磁波就可以在真空中传播。电磁波一般是由电荷变速产生变化的电场,变化的电场产生磁场,进而变化的磁场产生电场。感应电场与磁场之间的这种相互作用会在空间上导致电磁波的传播。频率不同的电磁波名称不同,按照频率增加的顺序依次为:无线电波、微波、红外辐射、可见光、紫外线、X射线和伽马射线。[2]

 

 

电磁波频谱图

 

逐渐普及的无线充电技术就是应用电磁感应原理。由两个分别位于充电器和手机中的感应线圈组成,当打开充电器时,交流电流通过充电器中的初级线圈,产生变化的磁场,当手机靠近充电器时,手机中的次级线圈就会产生电流,从而达到充电的目的。[3]

 

 

无线充电

 

还有其他类型的波。比如:在引力场中根据广义相对论传播扰动的引力波、结合了机械变形和电磁场效应的等离子波、热扩散波和反应扩散波等等。

 

 

引力波

 

 

波的简单分类

Simple classification of waves

一般会将波的振动方向与传播方向之间的关系将波分为横波与纵波。

 

振动方向垂直于波传播方向的波叫横波。一个简单例子就是在薄膜上产生的波。

 

薄膜上的横波 来源:维基百科

 

波在平行于膜平面的方向上传播,也就是沿着膜传播。但是膜本身垂直于该平面上下移动。另外最常见的横波就是光波。其中的磁场与电场都垂直于传播方向振荡。横波一般发生在弹性固体中。[4]

 

 

电磁波 来源:维基百科

 

纵波是介质的位移与波的传播方向相同或者相反的波。机械纵波有时候也称为压缩波。因为它们在穿过介质时会产生压缩与稀疏。最常见的纵波就是声波,靠介质分子的前后振荡向前传播。还有拉升弹簧传播的波也是纵波。[5]

 

 

拉伸弹簧形成的纵波 来源:维基百科

 

如果场中不同点的相对振幅发生变化,则称该波为行波。[1] 机械性的行波是介质中的单个原子或者分子在其平衡位置附近振荡,然后会与相邻的介质粒子发生相互作用(比如碰撞等)将一些能量传递给它们。通过这种方式,能量就可以在介质中传输,而不需要传输任何物质。[6]

 

行波 来源:维基百科

 

如果场中不同点处的相对振荡振幅保持恒定,换句话说也就是,波在时间上振荡,但是其峰值幅度分布不随空间移动,则称该波为驻波。[1] 振幅最小的位置成为波节,振幅最大的位置称为波腹。这种现象可能是由于介质沿与波相反的方向移动发生的,或者是由于两个沿相反反向传播的行波的叠加产生的。

 

 

两个反向传播的行波形成驻波 来源:tumblr

 

 

有趣的驻波

Interesting standing wave

牛顿第三定律告诉我们,力的作用是相互的,且两个物体之间的作用力与反作用力大小相等,方向相反,作用在同一直线上。

 

 

牛顿第三定律

 

而应用牛三的原理,也可以形成我们所说的驻波,而且是非常美丽的驻波。

 

火箭是由于喷射气体而产生推力运动的,但是它们的扩散速度并没有火箭快。当气体过度膨胀时,与外部大气相比,排出的气体压强较低,导致排气被向内挤压。这种压缩增加了排气的压力,但是,气流可能被压缩得太多,以致其压力超过大气压。结果,气流再次向外膨胀以减小压力。

 

 

波浪结构会在过大的流动中产生马赫环 来源:aerospaceweb

 

此过程也可能延申的比较远,导致内部压力再次降至低于环境压力。无论如何,每次气流通过这些压缩和膨胀过程之一时,内部压力和外部压力之间的差都会减小。随着时间的流逝,压缩和膨胀过程会不断重复,直到排气压力变得与周围大气压相同为止。这就是形成马赫环的原因。[7]

 

 

喷气式战斗机的马赫环

 

 

马赫环

 

 

水下射击

 

 

鞭炮在水下爆炸(上方与下方的气泡)

 

这些现象都是由于驻波产生的结果,这导致在空间上形成一系列的节点与波腹。由于牛顿第三定律,施加的推动会产生相反的力,从而形成加压(波腹)和减压(波节)区域。

 

原来,比较“普通”的驻波也可以这么有趣,那是不是还有什么“简单的”知识就可以解释的更加有趣的现象呢?也欢迎在下方留言分享给大家讨论。

 

 

气体从偏光照明的可乐瓶中流出

 

 

 

 

 

 

 

 

 



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