第六章 机械波一、波的形成和传播

在直线上传播的波 你看过长绸舞吗？演员抖动长绸的一端，长绸随之上下飞舞。我们也仿照这样，如图 6-1 所示，取一根较长的软绳，用手握住一端，拉平后向上抖动一下，或者说给绳的一端一个外来的扰动，我们可以看到有一个凸起状态沿着软绳向另一端传去，或者说有一个脉冲向另一端传去。为什么会有脉冲传播呢？因为绳的各部分之间存在着相互作用力，当绳的一端发生扰动时，就会引起相邻部分发生扰动，并依次引起更远的部分发生扰动，不过扰动开始的时刻依次推迟一些。这样，就有脉冲沿绳传播开去。

脉冲的形成和传播可以这样来模拟：如图 6-2 所示，一组同学排成一行，从左边第一位同学开始，下蹲一下然后起立，第二位、第三位⋯⋯同学依次做这个动作，而开始下蹲的时刻依次推迟一会儿。另一组同学将会看到脉冲向右传播。如果不断地重复这种动作，就会看到一列波向右传播。同学们不妨一试。

如果用手不断地上下抖动绳的一端，也就是使绳的一端发生振动，就有一列凹凸相间的波向绳的另一端传去(图 6-3)。设想把绳分成许多小部分，每一小部分可以看作质点。质点和质点之间有相互作用力，质点 1 在

外力作用下振动起来以后，就带动质点 2 振动起来，只是质点 2 开始振动

的时刻比质点 1 要迟一些，这样依次带动下去，后一个质点总比前一个质点迟一些开始振动。于是，振动逐渐传播开去，从整体上看，形成凹凸相间的波向右传播。

绳上的质点都在上下振动，并不随波迁移，沿绳传播的只是振动这种形式。

在上面这种波动中绳上的质点上下振动，波向右传播，二者的方向是垂直的。质．点．的．振．动．方．向．跟．波．的．传．播．方．向．垂．直．的．波．，．叫．做．横．波．。在横波中， 凸起的最高处通常叫做波峰，凹下的最低处通常叫做波谷。

现在我们来看另外一种波。把一根长的螺旋弹簧用细线水平悬挂起来，在它的一端连接一个金属球，球固定在钢片上(图 6-4)。拨动钢片， 使金属球沿着弹簧方向左右振动时，弹簧上就有疏密相间的波向右传去。我们也可以把弹簧看作一列由弹力联系着的质点。金属球振动起来以后， 依次带动后面的质点，而且后一个质点总比前一个迟一些开始振动。从整体上看形成疏密相间的波向右传播。弹簧上的质点也只是左右振动，并不随波迁移，传播的只是运动形式——振动。

弹簧上的质点左右振动，波向右传播，二者在同一直线上。质．点．的．振． 动．方．向．跟．波．的．传．播．方．向．在．同．一．直．线．上．的．波．，．叫．做．纵．波．。在纵波中，质点分

布最密的地方叫做密部，质点分布最疏的地方叫做疏部。

在平面和空间传播的波 水面上传播的波，是常见的波在平面上传播的例子。向平静的水面投一颗石子，石子落处的水面受到扰动，开始振动起来，并激起一圈圈起伏不平的水波向周围传播开去(图 6-5)。石子落处是波源。所有各方向的波峰(或波谷)在同一时刻构成的轨迹，叫做波面，

最前面的波面叫做波阵面或波前。图 6-5 所示的水波，波面是圆形的，用

图 6-6 表示。图中跟各波面垂直的线，叫做波线，用来表示波的传播方向。

图 6-7 是在水波演示槽中得到的波。波面是直线，波线是垂直于波面的平行的直线(图 6-8)。

在空气中传播的声波是三维波动。声源发生振动时，在声源周围的空气中有疏密相间的纵波向四面八方传播。在三维波动中，波面是球面的波叫做球面波，波面是平面的波叫做平面波。球面波传播到远处时，只观察其中一部分波面，就可以将它看做平面波。在平面上作图时，通常用图 6-6

和图 6-8 分别表示球面波和平面波。

你在电视中或许看到过一种团体表演。众多表演者排成一个方阵，他们上面覆盖着一大幅布，比如一面红旗，每人拿着红旗的一处(图 6-9)。从左面开始第一竖列的表演者一起不断地下蹲、起立，第二竖列、第三竖列⋯⋯以后各竖列依次比前一竖列稍迟些开始重复这种动作。我们就会看到在这幅红旗上有一列直线波向右传播，仿佛红旗迎风飘扬一样。这就是一个有趣的直线波的模拟。实际中，红旗迎风飘扬，就是因为风的扰动使旗形成波动状。

绳上和弹簧上的波是在绳和弹簧上传播的，水波是在水中传播的，声波是在空气中传播的，地震波是在地壳中传播的。绳、弹簧、水、空气、地壳等借以传播波的物质叫做介质。机．械．振．动．在．介．质．中．传．播．，．形．成．机．械．波．。上面提到的波都是机械波。

介质虽然能够以波的形式把振动传播开去，但介质中的物质本身并不随着波一起迁移。介质中本来静止的质点，随着波的传来开始振动起来， 这表明它获得了能量。这个能量是从波源通过前面的质点依次传递过来的。所以波在传播振动形式的同时，也将波源的能量传递出去。持续地供给波源能量，就能够持续地从波源以波的形式把能量传递出去。波．是．传．递． 能．量．的．一．种．方．式．。

波不但能够传递能量，而且可以传递信息。我们用言语来交流，就是利用声波传递信息。广播、电视是利用无线电波传递信息的，光缆是利用光波传递信息的。