驻波

在两个波重叠区域产生的特殊的干涉现象

驻波(standing wave )是指两列振幅相同的相干波在一直线上沿相反方向传播时,在两个波的 重叠 区域产生的干涉现象。

驻波的 方程 为 ,式中,A表示振幅, 表示频率,λ表示波长, 是时间t的 余弦 函数,说明形成驻波后,各质元都在作同频率的简谐振动; 是坐标x的余弦函数,可以把它看作是x处质元的振幅,由于振幅应该总是正的,所以取 来表示x处质元的振幅。

驻波的振动方式为分段振动,每一段都作为一个整体同步振动,相邻段振动方向相反。驻波的波节位于 处,波腹位于 处,波节处质元振动的振幅为零,始终处于静止状态;波腹处质元振动的振幅最大,等于2A。其他各处质元振动的振幅则在零与最大值之间,两相邻波节或两相邻波腹之间相距为半波长,波腹和相邻波节间的距离为λ/4,即波腹和波节交替作等距离排列。

在能量方面,驻波没有能量的单向传播, 波形 也不传播。当两波节间各点的振动位移分别达到各自的正、负最大值时,各点处的动能均为零,波节附近因相对形变最大, 势能 具有最大值,而波腹附近因相对形变最小,势能具有极小值。

驻波是一种特殊的干涉现象,广泛存在于自然界中,如管、弦、膜、板的振动都是驻波现象;驻波可以用来测波长,也可以用来确定振动系统的固有频率, 被广泛应用于信号传输、 量子力学 、医学等领域

产生方式

两列沿相反方向传播的振幅相同、频率相同的波叠加时形成的波叫做驻波。在实践中一般是利用了波的反射来得到两列沿相反方向传播的波,而且这两列波的振幅和频率都相同。比如说弦上的驻波,当 声波 传播到固定端时会发生反射,反射波与入射波传播方向相反,振幅和频率都相同。因此, 单射 波和反射波的叠加形成驻波。对于管中的驻波,当声波传播到闭口端时同样发生反射,入射波和反射波叠加形成驻波。由于弦的固定端和管的闭口端相当于波在传输过程中遇到的障碍物,因此对于波在弦的固定端和管的闭口端发生反射是比较容易接受的。然而,对于管中的驻波,还有另外一种情况是两端开口的管中形成的驻波。这样一来,驻波的形成原理解释为波源在一个开口端发生振动产生入射波。入射波传播到另一个开口端时发生反射,入射波和反射波叠加形成驻波。

特点

运动方程

设有两列振幅相同、 相速度 相同、初相为零的相干波,分别沿 轴正方向和 轴负方向传播, 波动方程 分别为

式中,A为波的振幅,ν为频率,λ为波长。

在两波相遇处质元的位移为

运用 三角函数 关系,可简化为

上式称为驻波 方程 。式中, 表示简谐振动,而 即为简谐振动的振幅。x与t被分隔于两个 余弦 函数中,说明此函数不满足 ,因此它不表示行波,只表示各 质点 都在做与原频率相同的简谐振动,但各点的振幅随位置的不同而不同。

振幅分布 波腹与波节

驻波方程 中,右端有两个因子 和 ,因子 含有时间变量,它表明质点做简谐振动。因子 与时间无关,只与r有关,对于确定的位置r,其为定值,所以 是位置r处质元做简谐振动的振幅。可见 轴上各质元的振幅随位置r不同而异,r满足 的那些点振动的振幅最大(等于2A),叫作波腹;满足 的那些点,振动的振幅为零,这些点始终静止不动,叫作波节。其余各点的振幅在零与最大值(2A)之间,下面求波腹与波节的位置。

当 时,有

即

满足上式的各点为波腹,相邻波腹之间的距离为

即相邻波腹之间的距离为半个波长。

当 时,有

即

满足上式的各点为波节,相邻波节之间的距离为

即相邻波节之间的距离也为半个波长。显然,波节与相邻波腹之间的距离为λ/4,故测得了波腹或波节间的距离,便可确定两相干波的波长。若 单射 波与反射波在弦线上叠加,只有当弦线长度为λ/2的整数倍时,才能形成驻波。

相位分布

从驻波 方程 可以看出,因子 中的 相位 与质元的位置r无关,似乎在同一时刻所有质元都具有相同的相位。其实不然,因为振幅等于 ,所以质元振动的相位与 值的正负有关,而 值的正负与r有关,凡是使 值为正的各点的 相位 均相同;凡是使 值为负的各点的 相位 也相同,但与前述各点的相位相反。

在相邻两波节之间, 具有相同的符号,所以两波节之间各点的振动相位相同,而波节两边各点 的符号相反,所以波节两边各点振动相位相反。可见,相邻两波节之间的各点,振动位移同时达到最大值,同时通过平衡位置,同时达到负的最大值;波节两边各点的位移同时沿相反方向达到最大值,又同时沿相反方向通过平衡位置,如下图所示。所以驻波是做分段的振动,每段内所有质元的振动是同步的。驻波与行波不同,每一时刻,驻波都有确定的 波形 ,这个波形既不向左移,又不向右移,因此才称为驻波。

能量分布

当驻波形成时,介质各点必定同时达到最大位移,又同时通过平衡位置。当介质 质点 达到最大位移时,各质点的速度为零,即动能为零,而介质各处却出现了不同程度的形变,越靠近波节处形变量越大。所以在此状态下驻波的能量以弹性势能的形式集中于波节附近。当介质质点通过平衡位置时,各处的形变都随之消失,弹性 势能 为零,而各质点的速度都达到了自身的最大值,以波腹处为最大。因此,在这种状态下,驻波的能量以动能的形式集中于波腹附近。由这两种状态的情形可见一斑,于是我们可以得出这样的结论:在驻波中,波腹附近的动能与波节附近的势能之间不断进行着互相转换和转移,却没有能量的定向传播。

从能流角度来看,由于形成驻波的两列相干波的能流密度量值 相等 ,但传播方向相反,因此合成波的能流密度为零,即不存在沿单一方向的能流,故驻波不传播能量。

机械波的半波损失

实验发现,在两种介质界面处有时形成波节,有时形成波腹。理论和实验表明,这一切均取决于界面两边介质的相对波阻。

机械波的波阻(即波的 阻抗 )是指介质的密度与波速之乘积 ,相对波阻较大的介质称为波密介质,反之称为波疏介质。

实验表明:波从波疏介质 单射 而从波密介质上反射时,界面处形成波节;波从波密介质入射而从波疏介质上反射时,界面处形成波腹。

如果在界面处形成波节,则表明在界面处入射波与反射波的 相位 始终相反,或者说在界面处入射波的相位与反射波的相位始终存在着π的相位差,这种现象叫作半波损失(或称作半波突变)。

反射波产生半波损失的条件是:波从波疏介质入射并从波密介质反射;对于 机械波 ,还必须是正入射。

如果在界面处形成波腹,则表明在界面处入射波与反射波的 相位 始终相同,这时反射波没有半波损失。

相关现象

在 小提琴 或笛子发出稳定的音调时,在琴弦上或笛腔中是声音的驻波在震荡;

在 激光器 发光时,工作物质中是光的驻波在震荡;

双手来回摩擦 鱼洗 的铜耳会激起铜盆的振动,这种振动在水面上传播,并与盆壁反射回来的反射波叠加,形成二维驻波。这就是鱼洗喷水的原理。

应用

信号传输

驻波所固有的种种性质使它在电信工程中经常的得到利用,例如:由于波节的位置不随t而变,只和工作波长λ有关,所以,经常利用这个特性来测定工作波长。又如, 输入阻抗 呈电抗性这一特点,使它在高频时被作为电抗元件来使用。再就是:当 时, 短路 线的输入阻抗为无限大;而在 时,短路线的输入阻抗为零。由于 传输线 极短,从而 衰减 很小,因此,这样的短路线可用来构成Q值极高(例如1000~4000)的谐振回路。

量子力学求解

在大学物理范围内讨论量子力学求解某些问题时,例如求解处于 定态 (即能量具有确定值的状态)的 微观 粒子的量子化能量(即 能级 )或其它有关 物理量 ,可以不必通过求解定态 薛定谔方程 ,而利用驻波方法就比较简单地得到结果。

所谓驻波方法,主要是考虑到处于 定态 的微观粒子,其所对应的 物质波 应形成驻波,以及对物质波的驻波应用 机械波 或 电磁波 等的驻波条件(例如,沿两端固定的弦传播的波形成驻波的条件是弦长为半波长的整数倍,沿一 圆周 传播的波形成驻波的条件是 圆周长 为波长的整数倍等等)。那么通过 路易·德布罗意 关系,把驻波条件和粒子的动量联系起来,即可得到粒子动量的量子化条件,有些情况还可得到 角动量 的量子化条件,并进一步得到粒子的最子化能量。对于较复杂情况(例如 谐振子 )也可由简单情况作适当推广得到。

X射线驻波

X射线驻波(简称XSW)最早是 马克斯·冯·劳厄 在1935年以X-ray interface effect的形式提出来的。1964年,Batterman提出了X射线驻波的概念和原理,但这项技术真正发展主要应归因于 同步辐射 的出现,它为这项技术提供了两个有利条件:高能量和波长可调。

XSW技术现在已很成熟,可用来确定吸收 原子 相对于晶格的位置。这项技术特别适用于研究表面和界面,也可用于大块 晶体 如 石榴石 和Ⅱ-Ⅵ族化合物,可获得 化学 配比、偏光性和 原子结构 因子等信息。

XSW技术可以精确地确定外来原子的位置。在很多情况下这些信息足以描述 吸附 原子相对于基底的位置。在某些情况下尤其是在外延层的结构是未知的情况下,需要建立模型,并参考其他测量技术得到的结果,从许多模型中找出正确的模型。应该指出,XSW技术与其他表面和界面研究方法是互补的。例如,X射线表面 衍射 技术可以给出表面结构,但只在平行于表面的平面内,而XSW技术可以给出垂直于表面方向的距离。XSW还被用于研究 多层膜 、 超晶格 、 相变 、 能带结构 等。

医用驻波电子直线加速器

医用驻波电子直线加速器是由一系列以一定方式 耦合 起来的谐振腔链组成的 加速管 , 微波 功率馈入谐振腔内,经过来回反射形成驻波 电磁场 ,驻波电磁场在各个腔内的轴向上形成轴向 电场 ,幅值不断变化,但不向前传播。选择合适的 相位 ,当电子通过每个谐振腔时,利用轴向电场加速,以便获得最终高能量。

利用具有一定能量的高能电子(速度达到亚光速)与大功率 微波 的微波电场相互作用,从而获得更高的能量。这时电子的速度增加不大,主要是质量不断变大。 电子 直接引出,可作电子线治疗。电子打击重金属靶,产生轫致辐射发射X射线,作X线治疗。

电磁波位相速度的测定

弗罗姆(Froome)利用下图所示的装置测定了电磁波的位相速度。图中RG是 射频 波发生器,其频率由测频器FM测定(实际使用的频率约 Hz,相应的波长约4mm)。由RG发出的 射频 信号通过一对发射天线 和 形成两束反向传播的电磁波,叠加后产生一个驻波。接收器R用来测量驻波各点的强度(正比于振幅平方),由此可以确定驻波波节和波腹的准确位置。因为两相邻波节(或波腹)之间的距离为λ/2,所以用这个方法可以精确测定 电磁波 波长。利用所测最到的频率和波长数据,便可以计算出电磁波的位相速度。1958年弗罗姆测得真空中的电磁波 相速度 为:c=299792.50±0.10km/s。

参考资料

  1. 驻波 中国大百科全书 2024-02-28
  2. 2024-02-28
  3. 2024-02-28
  4. 2024-02-28