质能概述论(九)

波的概述

一、波的概念

波是能量传递的方式,是物质某一性能的扰动或振动在时空中传递时形成的状态。

二、波的共性

周期性,即波都有空间的周期性和时间的周期性。波在空间传递时具有周期性,即沿着波的传播方向,每经过一定的空间距离就会出现相同的存在或运动状态。如中学物理中机械简谐波,每经过一个波长,质点的速度相同、质点离开平衡位置的位移一致等等。时间周期性指,一方面,波源物质某一性能的扰动或振动,在时间上具有周期往复性,即经过一定的时间段,就会出现相同的存在或运动状态;另一方面,波传播中的每一空间点的相应物质性能,同样和波源一样具有时间的周期性。

三、波的分类

第一,按照波的矢量性分,有标量波和矢量波。物质振动量是标量的波为标量波,如声波。物质振动量是矢量的波为矢量波,如电磁波。

第二,依据振动方向与传播方向的关系来分,主要有横波、纵波、球面波。横波,质点振动方向跟波的传播方向互相垂直的波为横波;纵波,质点振动方向跟波的传播方向平行的波为纵波。球面波是,波阵面为同心球面的波。球面波在自由时空中传播的时候,其能量幅度在远离波源中心的距离上逐渐递减。

第三,根据波的性质分,主要有机械波、电磁波、引力波、物质波四种类型。机械波是机械振动在介质中传播的波。在机械波的传递过程中,传播中的介质相互作用,导致振动和能量在物质之间传递,但各物质并不随波的传递而移动,他们只在自己的平衡位置振动(传播波的物质称为介质)。例如,声波、水波。电磁波和引力波的介质就是波源形成的场;电磁波是电磁场在时空中以波的形式存在或传递的状态,引力波是引力场在弯曲时空中以波的形式存在或传递的状态。物质波就是德布罗意波,量子力学认为任何物质都具有波粒二象性,于是物质的波动性就称为物质波,如电子波、中子波等等。

第四,经典波和概率波。经典波描述的是,物质某种性能的扰动或振动在时空中的传播,如水波、电磁波等。概率波是指,运动状态下的微观粒子在时空中出现的几率,它不代表任何实在物理量的传播过程,如物质波、光波。在量子力学中,通常用波函数来描述微观系统在时空中的分布状态,而波函数本身没有直接的物理意义。

第五,除了以上的分类外,还有其他的依据分类,比如短波、长波;超声波、次声波等等,这里就不一一列举了。

四、波的性质

波的性质主要包括波的叠加性、干涉现象、衍射现象等。还有反射、折射、相干性以及多普勒效应和惠更斯原理等等。这些性质在物理课本中都详细的讲述了,这里就不再啰嗦。

五、波的传播

波携带着能量,在时空中做周期性传播,其传播遵循的公式为(中学简谐波):v=λ/T=λf、y=Acos(ωt-kx+φ),其中v、λ、T、f分别是波的传播速度、波长、周期、频率,A、ω、φ和k分别为振幅、角频率、初相位和波数(k=2π/λ)。一般波动方程为:d²y/dt²=u²d²y/dx²,这是一个偏微分方程,其中u是由不同介质决定的常量波速。在均匀介质中,波沿着直线传播,当然,在弯曲的时空中,直线也被相应的弯曲了;在两种不同的介质界面上传播时,波会发生反射和折射现象;在复杂的介质中,波的传播过程比较复杂,但其现象和光波的传播类似(详情见光的本质之源)。中心球形波在自由时空中传播的时候,其能量以及相应的一些性能,都随波源中心的距离逐渐衰减。物质波是概率波,其能量概率在时空中以微观粒子运动的概率性所决定。能子源版权,违之必究!

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