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平面简谐波的波函数

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10-02 平面简谐波的波函数

10-02 平面简谐波的波函数

u
8m C B 5m 9m D
oA
x
1)以 A 为坐标原点,写出波动方程 ) 为坐标原点,
A = 3×10 m T = 0.5s = 0
2
2
λ = uT = 10 m
x y = (3 × 10 ) cos(4π t )m 5
10 – 2 平面简谐波的波函数
第十章 波动
2)以 B 为坐标原点,写出波动方程(首先要知道 点的振动方程) ) 为坐标原点,写出波动方程(首先要知道B点的振动方程 点的振动方程)
( 0 .01cm -1 ) x 2 ] = 2 π
λ = x2 x1 = 200 cm
周期为相位传播一个波长所需的时间 周期为相位传播一个波长所需的时间
π [(2.50s-1 )t1 (0.01cm-1 ) x1 ] = π [(2.50s-1 )t2 (0.01cm-1 ) x2 ]
x2 x1 = λ = 200 cm
第十章 波动
y(x,t) = Acos(ωt kx +)
质元的振动速度, 质元的振动速度,加速度
t x y(x,t) = Acos[2 π( ) +] T λ
角波数
k= 2π
y x v = = ωAsin[ω(t ) +] t u 2 y x 2 a = 2 = ω Acos[ω(t ) +] t u
y = A cos(ω t
O
2π
t=0 x=0
y ω
λ
x +)
π = 2
A
y y = 0, v = >0 t
t x π y = (1 . 0 m) cos[ 2 π ( ) ] 2.0s 2.0 m 2

平面简谐波的波函数

平面简谐波的波函数
y
o
第十章 波动
x
7
物理学
第五版
10-2 平面简谐波的波ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ数
3 x 、 t 都变 方程表示在不同时刻各质点的位移， 即不同时刻的波形，体现了波的传播.
y
O
u
x
第十章 波动
8
物理学
第五版
10-2 平面简谐波的波函数
4 沿 x轴方向传播的波动方程
A
y
O
u
P x
x
A
yO A cost
所以简谐波的传播也是媒质振动相位的传播。
设 t 时刻 x 处的相位经 dt 传到（x +dx）处，
x x d x 则应有 （t ） （ t d t） u u
dx —— 相速度（相速） u 于是得到 dt 即简谐波的波速就是相速。
第十章 波动
第十章 波动
6
物理学
第五版
10-2 平面简谐波的波函数
2πx 2 t 一定 x 变化 y A cos t 令 t C（定值） 2πx 则 y A cos 该方程表示 t 时刻波传播方向上各质点 的位移, 即 t 时刻的波形（y — x的关系）
y yo t t
对波动方程的各种形式，应着重从 物理意义上去理解和把握. 从实质上看：波动是振动的传播. 从形式上看：波动是波形的传播.
第十章 波动
10
物理学
第五版
总结
10-2 平面简谐波的波函数
已知振动方程，求解波动方程 1.已知坐标原点O的振动方程，求解波动方程 若点P的振动超前于点O，则波动方程为
由初始条件给出 由最大速度和最 大加速度给出

10-2平面简谐波的波函数

10-2平面简谐波的波函数

x
O
x
A
理学院 物理系
大学物理
§10-2 平面简谐波的波函数
yO Acost
yO表示质点O在 t时刻离开平衡位置的距离.
考察波线上P点(坐标x), P点比O点的振
动t 落Δ后t 时刻t 的ux,位P移点，在由t此时得刻的位移是O点在
y A
u
P
x
O
x
A
理学院 物理系
大学物理
§10-2 平面简谐波的波函数
y
u
A
P
x
O
x
A
理学院 物理系
大学物理
§10-2 平面简谐波的波函数
故P点的振动方程（波动方程）为：
y
yo
(t
t)
A cos[ (t
x) u
]
对波动方程的各种形式，应着重从
物理意义上去理解从形式上看：波动是波形的传播.
理学院 物理系
大学物理
§10-2 平面简谐波的波函数
大学物理 §§1100--22 平平面简面谐波简的谐波函波数 的波函数
一 平面简谐波的波函数
波函数：用以描述波在传播过程中空间各点 x 的振
动 y 随时间 t 变化的表达式。 y Acos[(t x) ]
u
设有一平面简谐波沿 x轴正方向传播，
波速为u，坐标原点 O处质点的振动方程为
y A
u
P
uu
Acos[(t x ) ( x0 )]
理学u院 物理u系
大学物理
§10-2 平面简谐波的波函数
例4 一平面简谐波以速度 u 20 m s-1 沿直线传播，波线上点 A 的简谐运动方 程
yA 3102 cos(4 π t); ( y, t单位分别为m，s).

§12-2平面简谐波的波函数

§12-2平面简谐波的波函数

x2 − x1 −1 u= = 250 cm ⋅ s t 2 − t1
轴正方向传播， 例2 一平面简谐波沿 O x 轴正方向传播，已知振 幅 A = 1.0m T = 2 . 0 s λ = 2.0m .在 t = 0 时坐 标原点处的质点位于平衡位置沿 O y 轴正方向运 动 .求 1）波函数 解:写出波函数的标准式
振动向右传播 滞后的时间
x ∆t = u
t 时刻点 P 的运动
=
t-x/u时刻点 的运动 时刻点O 时刻点
P点振动方程
yP
t
= yO
t−x u
x = A cos[ω (t − ) + ϕ0 ] u
点选取的任意性，得波函数即上式。 由P点选取的任意性，得波函数即上式。 太原理工大学物理系
方法之二
相位落后法
8m 5m 9m
−2
λ = 10 m
C B o A D 点 C 的相位比点 A 超前 AC −2 yC = 3 × 10 cos[4 π t + 2 π ]
x
点的坐标x＝ 带入波函数 将D点的坐标 ＝9m带入波函数 点的坐标
−2
λ 13 −2 = 3 × 10 cos[4 π t + π] 5
t 9 y D = 3 ×10 cos[2 π( − )](m) 0.5 10
12§12-2 平面简谐波的波函数 介质中任一质点（ 介质中任一质点（坐标为 x）相对其平衡位置的 ） 位移（ 位移（坐标为 y）随时间的变化关系，即 y ( x, t ) ）随时间的变化关系， 称为波函数. 称为波函数.
y = y ( x, t )
各质点相对平 衡位置的位移 衡位置的位移 波线上各质点 平衡位置 平衡位置

平面简谐波的波函数标准形式

平面简谐波的波函数标准形式

平面简谐波的波函数表达式
平面简谐波的波函数表达式是y=Asin(ωx+φ)，其中A为振幅，2π/ω为周期，φ为初相
平面简谐波是最基本的波动形式。

平面传播时，若介质中体元均按余弦（或正弦）规律运动，就叫平面简谐波。

如果所传播的是谐振动，且波所到之处，媒质中各质点均做同频率、同振幅的谐振动，这样的波称为简谐波，也叫余弦波或正弦波。

如果简谐波的波面是平面，这样的简谐波称为平面简谐波。

平面简谐波传播时，介质中各质点都作同一频率的简谐振动，但在任一时刻，各点的振动相位一般不同，它们的位移也不相同，但根据波阵面的定义知道，
在任一时刻处在同一波阵面上的各点有相同的相位，它们离开各自的平衡位置有相同的位移。

简谐平面波都往往被简称为简谐波或者平面波，后者频繁在量子力学中使用。

本书的量子力学部分也会大量使用平面波这个简称，无论波动是几维的。

广义来说，平面波未必是简谐的，只需要等相位面都是平面即可：例如波长随空间变化，频率随时间变化也仍然是平面波。

而简谐波也未必是平面的，球面波也可以在径向也是简谐函数。

11-2 平面简谐波的波函数

11-2 平面简谐波的波函数

-
x u
)=
Acos ω
t
-
x u
+
0
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P处质点在时刻t 的位移为：
yP (t) =
Acos ω
t
-
x u
+
0
波 函 数
因此，波线上任一点在任一时刻的位移都能 由上式给出。此即所求的沿x 轴正方向前进 的平面简谐波的波函数。
沿x轴负方向传播的平面简谐波的波函数：
上页 下页 返回 退出
2
1
2
x2 x1
2
x
x、t 都变化:
实线：t1 时刻波形；虚线：t2 时刻波形
y
u
o
x
x x
上页 下页 返回 退出
当t=t1时，y
A
cos
t1
x u
0
当t=
t1+Δt时，y
A
cos
t1
t
x u
0
在t1和t1+Δt时刻，对应的位移用x1和x2表示，则
y(t1)
A cos
t1
x1 u
0
y
A cos
2
(
t
mx
)
0
y Acos(t mkx 0 )
k 2 角波数
y
y
A cos(t
Aei
(t
mx u
)0
m2 x
i (t
Ae
0
mk ) u
)
上页 下页 返回 退出
波动表式的意义：
x 一定：令x=x1，则质点位移y 仅是时间t 的函数。
即
y
A
cos

10-2 平面简谐波的波函数

10-2 平面简谐波的波函数

1010-2 平面简谐波的波函数
波线上各 点的简谐 运动图
5
2πx y = Acosωt − +ϕ λ
1010-2 平面简谐波的波函数
2 t 一定 x变化 变化 表示t时刻波上各质点的位移 时刻波上各质点的位移, 时刻的波形（ 曲线 曲线） 表示 时刻波上各质点的位移 即t时刻的波形（y-x曲线） 时刻的波形 y o x
−2
D为原点的波动方程为 为原点的波动方程为
x 9π π 9 −2 yDW = 3×10 cos[4 π(t − ) − ] = 3×10 cos(4 πt − x − π) 20 5 5 5
−2
λ = 10 m
u y A = (3 × 10 m ) cos(= 10sm )t λ 4π 8m 5m 9m
y
3 4 1.0
y/m
3 *
4 2 * 1.0 * 2.0 * t / s 0 O 2 * -1.0*1 1 ω x = 0 .5 m 处质点的振动曲线
10
1010-2 平面简谐波的波函数 沿直线传播， 例2 一平面简谐波以速度 u = 20 m⋅ s-1 沿直线传播， 波线上点 A 的简谐运动方 程 yA = 3×10−2 cos(4 πt)
18
1010-2 平面简谐波的波函数
y1 = Acos(100πt −15.5π ) y2 = Acos(100πt −5.5π )
Qt = 0, x = 0 y = 0 v > 0
π ∴ϕ = − 2 t x π y = cos[2π( − ) − ] (m ) 2.0 2.0 2
O
v A
y ω
8
1010-2 平面简谐波的波函数 (2)求t=1.0 s 波形图 )

平面简谐波波函数

平面简谐波波函数
大学物理
波动学基础
第2讲 平面简谐波波函数
平面简谐波波函数
平面简谐波波函数
在均匀的、无吸收的介质中, 波源作简谐运动而形成 平面简谐波.
如何描述一维平面简谐波即建立波动表达式?其所表 示的物理意义是什么?
平面简谐波波函数
(一)波函数的建立 y = y(x，t )
任选参考点 O 为 x 轴的坐标原点, O 点处 质点的简谐运动方程 为
y
∆x
O x1
x2 x
y
=
A cos ω⎜⎛ t1 ⎝
−
x u
⎞ ⎟ ⎠
相位差为
∆ϕ
= ϕ1
−ϕ2
=
2π⎜⎛ t ⎝T
−
x1 λ
⎞ ⎟
−
2π⎜⎛
t
⎠ ⎝T
−
x2 λ
⎞ ⎟ ⎠
=
2π
x2
− λ
x1
波程差 ∆x = x2 − x1 相位差和波程差的关系： ∆ϕ = 2π ∆x
λ
平面简谐波波函数
(3)当 t , x 都变时, y = y(x, t), 表示所有质元在任意时刻 的位移情况.
解: 由图得
A = 2.5cm = 0.025m，λ = 40m，
T = 4s，ω = 2π = π s−1，u = λ = 10m ⋅s−1
y (cm )
T2
Tuv
20
5
x(m )
OP
波动表达式为
y
=
A
cos
⎡ ⎢ω ⎣
⎜⎛ t ⎝
−
x u
⎞ ⎟ ⎠
+
⎤ ϕ⎥
⎦
代入 t = 0, x = 0 , y = 0 ⇒ cosϕ = 0

大学物理平面简谐波的波函数精选精品文档

大学物理平面简谐波的波函数精选精品文档

u
1m 0
λ10m 8 m 5 m 9 m
C
B oA
Dx
第十章 波动
21
物理学
第五版
选择进入下一节：
本章目录
6-1 机械波的几个概念
6-2 平面简谐波的波函数
6-3 波的能量 能流密度 6-4 惠更斯原理 波的衍射和干涉
6-5 驻波
6-6 多普勒效应
第十章 波动
22

x






A cos


t

2πx




第十章 波动
4
物理学
第五版
6-2 平面简谐波的波函数
波函数
yAcos(t[x)]
u
质点的振动速度，加速度
v y A si n (t [x)]
t
u
a 2 t2 y 2A co (ts[u x)]
第五版
6-2 平面简谐波的波函数
(3) x0.5m处质点的振动规律并作图
y1.0co2π s([t x)π] 2.0 2.0 2
x0.5m处质点的振动方程
ycoπst[π](m)
y
y/m
3
3
1.0
*
4O
2
0 2* 1.0 *4 2.0 * t / s
1 -1.0*1
*
x0.5m处质点的振动曲线
第十章 波动
15
物理学
第五版
6-2 平面简谐波的波函数
例2 一平面简谐波以速度u20ms-1
沿直线传播，波线上点 A 的简谐运动方 程
yA31 0 2co4π st)(; ( y, t单位分别为m，s).

平面简谐波的波函数

平面简谐波的波函数
课堂练习 图示为 t = 1s 时的波形曲线，求波动方程。
提示 关键：求解原点o处质元初位相 o ！
(t 0)
o
2
A
y
y(m)
0.08 m/s
0.04
(t 1)
t
25
(1
0)
2
5
o
2
2
5
9
10
o
P
0.20
x (m)
t 1s
答案： y
0.04 cos [2
5
(t
x ) 0.08
9 ]
10
(
t
x u
)
o
]
(t
x u
)
o
(t
t
x
x u
)
o
x ut
y
u
☻波速即为相位传播速度 o
( 相速 ) 。
☻行波或前进波。
x
ut
·7 ·
Chapter 14. 波的传播与叠加 §14. 2 平面简谐波的波函数
三、微分形式的平面波波动方程
对一般的平面波：
xoy系：y f (x, t) xoy系： y f (x)
y
A
cos
[
(t
x u
)
o
]
波函数亦称 波动方程 。
ut
Ao y(0 ,t )
Δt Ax
(x,t)
o
y(x,t) y
t o
·3 ·
Chapter 14. 波的传播与叠加 §14. 2 平面简谐波的波函数
波动方程 的几种标准形式： y
y
A
cos
[
(t
x u

10.3平面简谐波的波函数

10.3平面简谐波的波函数
设：平面简谐波以速度u 沿 x 轴正向传播；
导出简谐波的波函数：时间推迟法；
波源：设位于原点O 的质点作初相为零的谐振动；
振动方程： yO Acost
(2)
问题：由于该质点的振动及弹性介质，使 x 轴上其
它质点产生振动，它们的振动方程 如何？
选择x 轴上距波源 O 点为 x 的 P点 作 为 研 究象，当振动传到 P 点时，该质点以相 同的振幅、频率重复O点振动，但时间上落后：
由图10.7可知：A 0.2m，T 2s， 2 π s1。
T
将初始条件代入振动方程可得ຫໍສະໝຸດ 0 0.2cos π ，
2
由旋转矢量法得 t 0 y 0 处质点的速度大于零,既有：
π y 0.2 cos( t )
2
2
，
(2)由相位落后法知，任意点处质点
T
例题 10.3.2 设有平面简谐波沿 x轴正方向传播，
其波长为0.2m，原点处质点振动方程为 y 0.02cos(t )
试求此平面简谐波的波函数。
4
解：分析 由时间推迟法=相位落后法可解，x 处质点
落后原点处质点的振动相位是 2 x 10x ，故 x 点
处的质点振动方程为：
x 0， 0
O
A
x

点 O 振动方程 ：yO Acos(t )
则对应波函数：
y Acos[ (t x) ]
u
u 沿 x 轴正向； (7)
y Acos[ (t x) ]
u
u 沿 x 轴负向； (8)
波动方程的其它形式：
y(x,t) Acos[2 π( t x) ]

平面简谐波的波函数

平面简谐波的波函数

解 确定坐标原点的 Y
振动初相0
A
由图知：t=0时， A/2
u=100m /s
x=0处的质点位于
0
1
X(
A/2处 且向位移正方向运动
-A
m)
由图知：t=0时， x=1m处的质点位于平 衡位置处且向位移负方
向运动
第十章 波动
21
物理学
第五版
0
π 3
,
2.4m,
u 100(m/s)
T /u 0.024s
在 理学
第五版
左行波的波函数：
p点的相位超前于O点相位：
所以 p点的振动方程，也就是左行波的波函数为：
第十章 波动
6
物理学
第五版
波函数的几种常用形式
第十章 波动
7
物理学
第五版
演示实验安排
周三 第3节 7班 第4节 8班
第十章 波动
8
物理学
第五版
二 波函数的物理含义
1 x一定，t变化
解
确定坐标原点的振动初相0
由：t=0时，x=0处的质点位于-A/2处 且向位移的负方向运动，知
第十章 波动
18
物第理五例版学 4.一平面简谐波，波长为12m，沿 ox轴负向传播. 图（a）所示为x=1.0m处质点的振动曲线，求波动方 程。
解：t=0时此质点的相位
0.40 0.20
5.0
t/s
t=5s时质点第一次回到平
第十章 波动
28
物理学
第五版
(1/4) 2A2
o
EP Ek
Y
WpWk x = x0
Tt
y
第十章 波动
t

大学物理 平面简谐波的波函数

大学物理 平面简谐波的波函数

17
3）写出传播方向上点C、点D 的简谐运动方程
u
C
8m
y A 310 cos( 4 π t )m 10m 5m 9m
B
2
oA
D
x
AC
点 C 的相位比点 A 超前
cos( 4 π t 2 π )m 13 2 3 10 cos( 4 π t π)m 5 点 D 的相位落后于点 A AD 2 y D 3 10 cos( 4 π t 2 π )m 9 2 3 10 cos( 4 π t π)m 5
4
波动方程的其它形式
t x y ( x,t ) A cos[ 2 π( ) ] T λ y( x, t ) A cos(t kx )
质点的振动速度，加速度 角波数 k 2 π
(wave number)

y x v A sin[ (t ) ] t u
分析：
2 3 ( D) 2
( B)

,
由波形图可判定O点在该时刻的振动方向竖直向 上（如图示）
A x
3 由旋转矢量图可知此时的相位为 2
23
3.在下面几种说法中,正确的说法是: （C）
(A)波源不动时,波源的振动周期与波动的周期在数 值上是不同的。 (B)在波传播方向上的任一质点振动位相总是比波源 的位相超前。 (C)在波传播方向上的任一质点振动位相总是比波源 的位相滞后。 (D) 波源的振动速度与波速相同。
在t＝1／v时刻：
1 v | x x2 2A sin 2 (1 ) 2A 4
即速度比为-1。
3 v | x x1 2A sin 2 (1 ) 2A 4

平面简谐波的波函数

平面简谐波的波函数

y(0) Acos[t0 0 ] y
t=t0
2
( x2
x1 )
0
x
反映了波动的空间周期性 6
例题: P86 4.3.9
解：（1）该波函数为
y Acos(Bt Cx)
而波函数的一般形式为
y
A c os [ (t
x u
)
0
)]
Acos(t
2
x 0)
比较两式可得
振幅为 A
而 B 2 C 所以
周期为 T 2 2 B
频率为
1 T
B
2
波长为 2
C
波速为 u B
TC 7
（2）由波函数 y Acos(Bt Cx) 可得
传播方向上距离波源为 l 处一点的振动方程为
y Acos( Bt Cl )
（3）相距为 d 的两点的波动方程分别为
y1 Acos( Bt Cx ) y2 Acos( Bt Cx Cd )
y(t)
Acos[(t
x0 u
)
0
]
Acos[t 2
x0
0 ]
令
2
x0
0
则
y(t) Acos(t ) ——x0处质点的振动方程
y(x，t) → y(t)
3
y(t) Acos(t ) ——x0处质点的振动方程
x0处的质点，两个时刻的振动相位差
t2
t1
2
t2 t1 T
若 t2-t1=kT, k=1,2,…
练习: P87 4.3.12
相距为 d 的两点的相位差为
Cd
8
0
)
令 t0 0 则y(x)源自A c os (x u

6_2 平面简谐波的波函数

6_2 平面简谐波的波函数
2
4）
8 2π 1.6π B C 2π 10 x x 22 C D 2π C D 2π 4.4π 10
y A cos 2π ( t x ) (向x 轴正向传播 T x y A cos ( t ) (向x 轴负向传播 u
y ( x, t ) y ( x , t ) （波具有空间的周期性）
距离原点O为x1和x2的两质点的相位分别为
x1 t x ) 2π ( 1) u T x t x 2 (t 2 ) 2 π ( 2 ) u T
1 (t
π t 1.0s波形方程 y 1.0 cos( 2 π x) 1.0 sin(π x)
y/m
1.0
o
-1.0
2.0
x/m
t 1.0 s 时刻波形图
3） x 0.5m
处质点的振动方程
y 1.0 cos(π t π)
y
3 1.0 2 0
y/m
3 * 2 * 4 *
4
O
1
y A x轴负向 u
t x y(x,t) A cos[ 2 π( ) ] T λ

2π 2 π , T
y ( x, t ) A cos(t kx )
角波数
u

T
k
2π
沿 x 轴正向传播的平面简谐波，已知距O点x0的Q点的振动规律为

1.0
x 0.5 m
-1.0 *1
* t /s 2.0 *
处质点的振动曲线
例3 一平面简谐波以速度 谐运动方程
u 20m / s 沿直线传播,波线上点 A 的简 y A (3102 ) cos(4 π t ) .

6-02 平面简谐波的波函数

6-02 平面简谐波的波函数

写出波动式
t x π y 1.0 cos[ 2 π( ) ] (m) 2.0 2.0 2
t x y ( x,t ) A cos[ 2 π( ) ] T λ
2）求 t 1.0s 波形图.
t x π y 1.0 cos[ 2 π( ) ] 2.0 2.0 2
t 1.0s

2
3）写出传播方向上点C、点D 的简谐运动方 x 程 2 2 y 3 10 cos 4 π( t ) y A 3 10 cos4 π t 20
u
C
8m
5m
9m
10m
D
B
oA
2
x
把点 C 的坐标代入
13 yc 3 10 cos[ 4 π t π] 5
把点 D 的坐标代入
例1 已知波函数如下，求波长、周期和波速. y 5 cos π[2.50t 0.01x](cm).
解：（比较系数法）. 把波动方程改写成
t x y A cos 2π ( ) T
比较得
2.50 0.01 y 5 cos 2 π[ t x] 2 2
2 T s 0.8 s 2.5 2cm 200 cm 0.01
y
u
x
x0
已知 x0点振动方程
O
x
y x0 A cos( t )
x x0 时间落后 u
x x0
任一点
x 比 x0
相位落后 2
任一点 x 振动方程——波函数

x x0 y A cos[ ( t ) ] u x x0 y A cos[ t 2 ]
y x v A sin[ (t ) ] t u 2 y x 2 a 2 A cos[ (t ) ] t u

平面简谐波的波函数

平面简谐波的波函数

方向传播。
若O点的振动方程为
y0 A cos( t 0 )
时间推迟方法
y A
u
P
x
O
A x
点O 的振动状态
y0 A cos( t 0 )
t x u
t ux 时刻点O 的运动
点P t 时刻点 P 的运动
P点在t时刻的位移为
y
A cos[ (t
x) u
0]
平面简谐波的波动方程
*若波以速度u 沿x轴负方向传 播， 则波函数为
能否写出波动表达式?形 式如何?
y
u
．P. x
x
y
A cos[ (t
x) u
0 ]
y A
u
P
x
O
A x
波函数的其它形式
y
A cos[ (t
x) u
0 ]
y
Acos[2 ( t
T
x
)
0 ]
y
A
cos[2
(
t
x
)
0 ]
y Acos(t kx 0 )
2 2 / T
u / T
k
2
角波数，为2π长度内所 包含的完整波形的个数
二、波函数的物理含义：
y
y
A
cos[(t0
x u
)
]
o
x
t t0
(3) 若x和t 都是变量，波函数表示波线上不同质点、不同时刻
的位移 （行波）
y Acos[(t x) ]
u
A:
(t
x u
)
ห้องสมุดไป่ตู้
0
B:
(t
t
x

平面简谐波波函数

平面简谐波波函数
平面简谐波的特点是，它的波形是一个不断振荡的正弦波，在时间t和空间x两个方向上都呈现出波动的特征。平面简谐波在许多物理学领域中都有广泛应用，例如电磁波、声波、光波等。
平面简谐波的波函数可以用数学工具，如幂级数或傅里叶级数来表示。这些工具可以帮助我们分析平面简谐波的特性，例如波长、周期、波速等。
平面简谐波（plane harmonic wave）是物理学中常用的一种波动形式。它是由两个正弦波叠加而成的，其中一个正弦波的波长和波速是定值，另一个正弦波的波长和波速是变化的。
平面简谐波的波函数可以用下面的公式表示：
f(x,，k是波数，ω是角速度，φ是相位。
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具有一般意义，即为沿 x 轴正方向传播的平
面简谐波的波函数，又称波动方程.
第十章 波动
3
物理学
第五版
10-2 平面简谐波的波函数
利用 2π 2πν 和 uT
T
可得波动方程的几种不同形式：
y
A
cos
t
x u
A
cos
2π
t T
x
A cost
2πx
第十章 波动
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物理学
第五版
10-2 平面简谐波的波函数
O
y
A
第十章 波动
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物理学
第五版
10-2 平面简谐波的波函数
(2)求 t 1.0s 波形图
y 1.0 cos[2π( t x ) π ]
2.0 2.0 2
y (1.0) cos[π π x]
2
t 1.0s
sin πx (m)
波形方程
y/m
1.0
O
-1.0
t 1.0 s
2.0
x/m
(3) x 0.5m 处质点的振动规律并作图.
解 (1) 写出波动方程的标准式
y Acos[2π ( t x ) ] T
第十章 波动
12
物理学10-2 平面简谐波的波Fra bibliotek数第五版
y Acos[2π ( t x ) ]
T
t0 x0
y 0, v y 0 π
t
2
y cos[2π( t x ) π ] (m) 2.0 2.0 2
时刻波形图
第十章 波动
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物理学
第五版
10-2 平面简谐波的波函数
(3) x 0.5m 处质点的振动规律并作图
y (1.0) cos[2 π( t x ) π] 2.0 2.0 2
x 0.5m 处质点的振动方程
y cos[(π s1)t π] (m)
y
y/m
3
3
1.0
*
4O
2
O 2* 1.0 *4 2.0 * t / s
1 -1.0*1
*
x 0.5 m 处质点的振动曲线
第十章 波动
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物理学
第五版
10-2 平面简谐波的波函数
例2 一平面简谐波以速度 u 20m s-1
沿直线传播，波线上点 A 的简谐运动方 程
yA 3102 cos(4 π t); ( y, t单位分别为m，s).
求:(1)以 A 为坐标原点，写出波动方程；
动落后t x , P 点在 t 时刻的位移是O点在
t t时刻的u 位移，由此得
y A
u
P
x
O
x
A
第十章 波动
2
物理学
第五版
10-2 平面简谐波的波函数
yP yO (t Δt) Acosωt Δt φ
A cos
t
x u
由于 P为波传播方向上任一点，因此上 述方程能描述波传播方向上任一点的振动，
物理学
第五版
10-2 平面简谐波的波函数
一 平面简谐波的波函数
设有一平面简谐波沿x 轴正方向传播，
波速为u，坐标原点 O处质点的振动方程为
yO Acost
y A
u
P
x
O
x
A
第十章 波动
1
物理学
第五版
10-2 平面简谐波的波函数
yO Acost
yO表示质点O在 t时刻离开平衡位置的距离.
考察波线上P点(坐标x), P点比O点的振
从实质上看：波动是振动的传播. 从形式上看：波动是波形的传播.
第十章 波动
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物理学
第五版
10-2 平面简谐波的波函数
例1 一平面简谐波沿 Ox 轴正方向传播，
已知振幅A 1.0m ，T 2.0s， 2.0m. 在 t 0
时坐标原点处的质点在平衡位置沿 Oy 轴正向
运动. 求：(1)波动方程；(2) t 1.0s波形图；
波函数 y Acos[(t x) ]
u
质点的振动速度，加速度
v y Asin[(t x) ]
t
u
a
2 t
y
2
2
A cos[ (t
x) u
]
第十章 波动
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物理学
第五版
10-2 平面简谐波的波函数
二 波函数的物理含义
1 x一定，t变化
令 2π x
y Acost 2πx
10-2 平面简谐波的波函数
4 沿 x轴方向传播的波动方程
如图，设 O 点振动方程为
yO Acost
P点振动比O点超前了 Δt x u
y
u
A
P
x
O
x
A
第十章 波动
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物理学
第五版
10-2 平面简谐波的波函数
故P点的振动方程（波动方程）为：
y
y o
t
t
Acos
t
x u
对波动方程的各种形式，应着重从 物理意义上去理解和把握.
y
则 y Acost O
t
表示x点处质点的振动方程（y t 的关系）
y(x,t) y(x,t T ) （波具有时间的周期性）
第十章 波动
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物理学
第五版
10-2 平面简谐波的波函数
波线上各点的简谐运动图
第十章 波动
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第五版
10-2 平面简谐波的波函数
2 令
t
一定
x 变化
t
y Acost
这里的方法与教
uT 10m
材的方法有点不
y Acos[2π ( t x ) ] 一样，但结果化
T
y 3102 cos2π( t
x 简后是一样的。 )
0.5 10
u
8m 5m 9m
C
B oA
Dx
第十章 波动
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物理学
第五版
10-2 平面简谐波的波函数
(2) 以 B 为坐标原点，写出波动方程
法2： B为坐标原点，A为参考点
yA 310 2 cos(4 π t)
任意点的波函数可写为：
y 3102 cos[4π(t x 5)] u
3102 cos[4π(t x 5)] 20
u
8m 5m 9m
C（定值）
2πx
则
y
A cos
2πx
该方程表示 t 时刻波传播方向上各质点
的位移, 即t 时刻的波形（y x的关系）
y
o
x
第十章 波动
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物理学
第五版
10-2 平面简谐波的波函数
3 x、 t 都变
方程表示在不同时刻各质点的位移， 即不同时刻的波形，体现了波的传播.
yu
O
x
第十章 波动
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物理学
第五版
(2)以 B 为坐标原点，写出波动方程；
(3)求传播方向上点C、D 的简谐运动方程；
(4)分别求出 BC ，CD 两点间的相位差.
u
8m 5m 9m
C
B oA
Dx
第十章 波动
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物理学
第五版
10-2 平面简谐波的波函数
(1) 以 A 为坐标原点，写出波动方程
A 3102 m T 0.5s 0
法1： yA 310 2 cos(4 π t) A 0
B
A
2π
xB xA
2π
5 10
π
B π B点相位比A点超前
yB 3102 cos[4 π t π]
y 3102 cos[2π( t x ) π] 0.5 10
u
8m 5m 9m
C oB A
Dx
第十章 波动
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第五版
10-2 平面简谐波的波函数