高等教育出版社：《物理学教程》教材电子教案（PPT课件，马文蔚第四版）第十五章 机械波 15-03 波的能量

15-3波的能量 第十五章机械波 波动能量的传播 当机械波在媒质中传播时，媒质中各质点均在 其平衡位置附近振动，因而具有振动动能. 同时，介质发生弹性形变，因而具有弹性势能 以固体棒中传播的纵波为例分析波动能量的传播. X X dx y+dy X

15 – 3 波的能量 第十五章 机械波 一 波动能量的传播 当机械波在媒质中传播时，媒质中各质点均在 其平衡位置附近振动，因而具有振动动能. 同时，介质发生弹性形变，因而具有弹性势能. x x O dx O x y y + dy 以固体棒中传播的纵波为例分析波动能量的传播

15-3波的能量 第十五章机械波 x dx 'yv+dy X dR-号dm2=,(orj y=Acosolt-).v--04sin ou-) 8t 日振动动能 d =AdVA@'sin"o(t-)

15 – 3 波的能量 第十五章 机械波 ( ) ( ) 2 2 k d 2 1 d 2 1 dW = m v =  V v cos ( ) u x y = A  t − sin ( ) u v x A t t y = − −    =    振动动能 d sin ( ) 2 1 d 2 2 2 k u x W =  VA   t − x x O dx O x y y + dy

15-3波的能量 第十五章机械波 ▣弹性势能 X dw,=k(dy) dx 2 X y+dy F 杨氏模量 =E △l F ES SE = △1 k= dx d。=kdyy= 1 ESdx dy E u= 2 dx 0 1 Asin o(t-) 一 u 1 2 sin'ot u

15 – 3 波的能量 第十五章 机械波 ( ) 2 P d 2 1 dW = k y 杨氏模量 l l E S F  =  E u = sin ( ) u x A t x u y = − −     x SE k d = d sin ( ) 2 1 2 2 2 u x =  VA   t − 2 2 ) d d d ( 2 1 x y = u V ( ) 2 2 P ) d d d ( 2 1 d 2 1 d x y W = k y = ES x  弹性势能 x x O dx O x y y + dy l l ES F = 

15-3波的能量 第十五章机械波 1 dw,=dw,pdVA"@"sin?w(t-) 体积元的总机械能 dw =dw +dw,pdvA2@"sin2w(t-x) 讨论 1)在波动传播的媒质中，任一体积元的动能、 势能、总机械能均随x,作周期性变化，且变化是 同相位的. 日体积元在平衡位置时，动能、势能和总机械能 均最大 日体积元的位移最大时，三者均为零

15 – 3 波的能量 第十五章 机械波 ➢ 体积元的总机械能 d d d d sin ( ) 2 2 2 k p u x W = W + W =  VA   t − d sin ( ) 2 1 d d 2 2 2 k p u x W = W =  VA   t − 讨 论  体积元在平衡位置时，动能、势能和总机械能 均最大.  体积元的位移最大时，三者均为零. 1）在波动传播的媒质中，任一体积元的动能、 势能、总机械能均随 作周期性变化，且变化是 同相位的. x,t

15-3波的能量 第十五章机械波 dw pdVA'@2 sin2o(t) u 2)任一体积元都在不断地接收和放出能量， 即不断地传播能量.任一体积元的机械能不守恒. 波动是能量传递的一种方式. 能量密度：单位体积介质中的波动能量 =pdio'ino( dw dy 平均能量密度：能量密度在一个周期内的平均值， W=

15 – 3 波的能量 第十五章 机械波 2） 任一体积元都在不断地接收和放出能量， 即不断地传播能量 . 任一体积元的机械能不守恒 . 波动是能量传递的一种方式 . d d sin ( ) 2 2 2 u x W =  VA   t − ➢ 能量密度：单位体积介质中的波动能量. sin ( ) d d 2 2 2 u x A t V W w = =    − 平均能量密度：能量密度在一个周期内的平均值. 2 2 0 2 1 d 1 w t A T w T = =  

15-3波的能量 第十五章机械波 二 波的能流和能流密度 能流：单位时间内垂直通过某一面积的能量. 平均能流： wuS 能流密度（波的强度）1： 通过垂直于波传播方向的单 位面积的平均能流. P wu S udt S PAo'u

15 – 3 波的能量 第十五章 机械波 二 波的能流和能流密度 ➢ 能流：单位时间内垂直通过某一面积的能量. ➢ 平均能流： P = wuS wu S P I = = ➢ 能流密度 ( 波的强度 ) : 通过垂直于波传播方向的单 位面积的平均能流. I udt S u  I A u 2 2 2 1 =  

15-3波的能量 第十五章机械波 例证明球面波的振幅 与离开其波源的距离成反比， 并求球面简谐波的波函数， 证介质无吸收，通过 两个球面的平均能流相等。 而，uS1=ō2uS2 }mur=2 i时 1 即 2 A=2 Atocos(t-〉 r 式中”为离开波源的距离，A,为严=0处的振幅

15 – 3 波的能量 第十五章 机械波 例 证明球面波的振幅 与离开其波源的距离成反比， 并求球面简谐波的波函数. 证 介质无吸收，通过 两个球面的平均能流相等. 1 s 2 s 1 r 2 r 1 2 2 1 r r A A = cos ( ) 0 0 u r t r A r y =  − 1 uS1 =2 uS2 2 2 2 2 2 2 1 2 2 1 4π 2 1 4π 2 1 即 A  u r = A  u r 式中 r 为离开波源的距离， 为 处的振幅. 0 r = r A0