波与实体运动的区别(4) - 波动的特征和波动第一定律

波与实体运动的区别

波的形状

波的形状

无论是何种波源产生的波，还是经过反射面的波，亦或是圆波和射线波，都具有波动的某些共同运动特征和规律。本文中将基于均匀面介质中点波源产生的圆波进行讨论，点波源的波动规律适用于任意波源和形状的波。这里将点波源与介质相互作用的激发点定义为波心，波心是在介质中的一个点。在均匀介质上不同位置的激发的波，其波心的位置也不同，任意波的波峰或波谷包络线都是关于各自波心的同心圆，而且波心处于正圆的圆心，如下图所示。
在上图中同心圆的圆点为波源在介质中的激发点即为波心，实线圆表示波峰，虚线圆表示波谷，以下用波表达波峰或波谷的包络线，某些介质中波心位置的介质可以反复激发出多个圆波，即一个波心会有若干个同心圆波，为了后文描述方便，规定只取第一个圆波表示波心的波。以波心为端点可以做任意个方向的射线，且射线与每个波有唯一的交点，例如上图中水平方向的射线OB与相邻的两个波相交于A、B两点，射线和波的交点可以抽象看成一个射线波。以下是点波源的波动描述中会用到的几个物理量的定义：
1.波长是以波心为端点的射线与前后相邻两个波相交点之间的线段长度，如上图中AB两点线段的长度即为波长（用λ表示）；
2.波时是波源在波心位置激发相邻两个波的时间段，如果产生任意相邻的两个波的波时都相等，就说明波动具有周期性（用T表示），用单位时间内激发波的数量表示频率（用f表示）；
3.波速是以波心为端点的射线与波的交点在单位时间内传播的距离，比如图中在单位时间内的波由A点传播至B点的距离表示波速（用u表示）；
设波源以时间T为周期产生的波，其波动过程中波长、波速、周期和频率具有如下关系式：
从时域角度看点波源产生的波，过某点的波幅变化在直角坐标系上有如下正弦波的图形。
虽然波幅变化的时域图类似一种正弦波，但是并不能简单套用这个波形来想象实际波的传播过程，需要结合具体的介质来看待波动的物理过程。波的传播形式多种多样，例如水波是一种横波，通过水分子间作用力和重力场的交替作用进行传播，有高处也有低处；声波是一种纵波，通过空气分子间相互作用的疏密振动进行传递，有疏部和密部构成。波动是介质内部构成物质间的一种联动传递的运动过程，其传播的波速由介质自身的性质所决定，这也是为什么同样是声音，在空气和铁轨上的传播波速不一样的缘故，这也是一个众所周知而又朴素的自然规律：

定律1：一定条件下波速由介质的物理性质决定

由该定律可知，在均匀介质中相对静止的点波源激发的圆波以波心为端点的任意射线方向上的波速都相同，且波心在介质中的位置不变。对于非均匀介质中不同位置附近的波速可以不同，甚至不同频率的波在同一介质中的波速也可以不同，都是由介质自身的物理性质决定。