波动方程
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波动方程的推导波动方程是描述波动现象的物理方程。
它可以通过将波动现象中的力学原理和波动定义相结合来推导。
假设有一绳子上的波动,考虑绳子上的一小段长度为∆x的振动。
假设这段绳子以垂直方向的位移y(x,t)进行振动,其中x是空间坐标,t是时间坐标。
根据胡克定律,当绳子受到横向力时,它会发生弹性偏离。
假设横向力的大小为T,根据牛顿第二定律,我们可以得到:T = μ∆x (∂²y/∂t²)其中μ是绳子的线密度,∆x是绳子上一小段的长度。
另外,波的传播速度可以表示为v = λf,其中v是波速,λ是波长,f是频率。
我们可以将波速表示为:v = ∆x/∆t其中∆t是绳子上一小段振动的时间。
利用以上相关关系,我们可以对位移函数y(x,t)进行泰勒展开,得到波动方程的推导:∂²y/∂t² = (1/v²) (∂²y/∂x²)代入前面的式子,可以得到:T/μ = (∂²y/∂x²)这就是波动方程的一维形式,也称为一维波动方程。
对于二维或三维的波动现象,可以相应地拓展波动方程。
对于二维情况,我们可以得到:T/μ = (∂²y/∂x²) + (∂²y/∂z²)其中y(x, z, t)描述了二维波浪的形成。
对于三维情况,我们可以得到:T/μ = (∂²y/∂x²) + (∂²y/∂y²) + (∂²y/∂z²)其中y(x, y, z, t)描述了三维空间中的波动现象。
总结起来,通过将胡克定律和波动定义相结合,可以推导出一维、二维或三维波动方程,用于描述波动现象的物理过程。
波动方程
波动方程或称波方程(英语:Wave equation)由麦克斯韦方程组导出的、描述电磁场波动特征的一组微分方程,是一种重要的偏微分方程,主要描述自然界中的各种的波动现象,包括横波和纵波,例如声波、光波和水波。
对于一个标量(quantity) 的波动方程的一般形式是:
这里a通常是一个固定常数,也就是波的传播速率(对于空气中的声波大约是330米/秒,参看音速)。
对于弦的振动,这可以有很大的变化范围:在螺旋弹簧上(slinky),它可以慢到1米/秒。
但若a作为波长的函数改变,它应该用
相速度代替:
注意波可能叠加到另外的运动上(例如声波的传播在气流之类的移动媒介中)。
那种情况下,标量u会包含一个马赫因子(对于沿着流运动的波为正,对于反射波为负)。
u = u(x,t),是振幅,在特定位置x和特定时间t的波强度的一个测量。
对于空气中的声波就是局部气压,对于振动弦就使从静止位置的位移。
是相对于位置变量x的拉普拉斯算子。
注意u可能是一个标量或向量。
波动方程抽象自声学,电磁学,和流体力学等领域。
用波动方程来描述杆的振动,包含的信息有:杆的初始位置,杆振动的振幅,频率等等。
波动方程的推导:声学基础上关于声学波动方程的推导,来自理想流体媒质的三个基本方程,运动方程、连续性方程和物态方程(绝热过程)。
而关于流体
力学也有三个方程,分别是质量守恒方程、动量守恒方程(N-S方程),以及能量守恒方程。
事实上,在绝热过程中,小扰动下的流体方程也可以推导出声学方程。
波动方程在经典物理和量子物理里面的意义不一样的,给出波动方程更好分析。
波动方程就是描述波动现象的偏微分方程,它的物理意义就太宽泛了。
不过波动方程一个很重要的性质是传播速度有限(不像热传导方程)。
电磁场的运动方程是波动方程这说明电磁相互作用只能以有限的速度传播(光速c),而没有瞬时的作用(即超距作用)。
这是导致狭义相对论建立的一个重要思想。