相位:理解振动和波的钥匙!

作者: 薛德堡

来源: 大学物理学

发布日期: 2022-05-10 15:20:32

本文详细介绍了振动和波的核心概念——相位,包括其定义、作用以及在振动和波传播中的应用。文章通过解释相位如何决定振动状态,以及波如何通过相位的传播来传递振动状态,深入浅出地阐述了这一物理现象。

振动是周期运动,振动的状态由描述振动的时间周期函数来描述。而振动状态在媒质中的传播形成波,波函数一次性给出了所有质点在任意时刻的振动状态。所以,振动和波的核心内容是对振动状态的描述。

要对这个问题理解到位,你得先理解好相位的概念。相位取某个取值,就决定了系统处于某种状态。所以,相位看起来就像一个状态的标签。

用角的周期函数描述振动。振动是物理量的状态随时间的周期变化,它是通过一个周期函数来描述的,例如周期为T的函数f(t)。该函数f(t)是由相应的物理量所满足的时间演化规律决定的,例如在回复力作用下的质点所满足的牛顿第二定律。

相位:振动状态的决定者。对一个确定的振动来说,它的外壳函数F(Φ)是确定的。因此,决定某个时刻t的物理量的振动状态的就是Φ的值。换句话,面对函数F(Φ),变量Φ取代了t对物理量的振动状态的决定作用。

振动的周期、频率和角频率。作为描述振动的函数,f(t)的周期T显然就是一次完整的振动——全振动所需的时间,称之为振动的周期。这意味着,单位时间内,完成全振动的次数是1/T,这就是振动的频率。

波:相位的传播。波在媒质中传播时,振动的点并没有随之移动,那么它传播了什么呢?本文最开始就说过,波是振动状态的传播,而现在知道,相位决定振动状态,所以波也就是相位的传播。

如何得到波函数?振源所产生的振动在媒质中传播时,是靠媒质来传递的。当媒质均匀时,前一个位置处振动函数的形式,也就是那个函数f(t),必定也被下一个位置所遵循,因为均匀的媒质必然导致所有点遵循的振动规律是一样的。

波长的概念。根据波长的定义,波长是指,波线上,两个状态相同的点之间的最短距离。既然相位决定状态,那么波长也就是两个同相点之间的最短距离。

相位传播的物理图像。波函数在时间上和空间上都是周期函数。时间上的周期就是振动的周期,空间上的周期就是波长。沿着波线方向,相位依次落后——减小;而沿着波线反方向,相位依次超前——增大。

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