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1.波在空间以特定形式传播的物理量或物理量的扰动。由于是以特定的形式传播,这个物理量(或其扰动)成为空间位置和时间的函数,物理量函数称为波函数,数学上它是一个叫波动方程的在特定边界条件下的解。
2.波的形式是多种多样的。它赖以传播的空间可以是充满物质的,也可以是真空(对电磁波而言)。有些形式的波能为人们的感官所感觉,有些却不能。人们最熟悉的是水面波,它有几种类型。例如,在深水的表面,有主要以重力为恢复力的表面波,典型波长为1米到100米;有主要以表面张力为恢复力的涟波,波长约短于0.07米。这两种波常具有正弦形状。在深水内部则有内重力波,出现在海洋内有密度分层的区域。不只在海洋里,在大气层里,也可以出现内重力波。空气中更广泛遇到的,当然是声波。声波中传播的是空气中压强、密度等物理量的扰动,扰动指对无声波时原有值的偏离。
3.固体里不断发生着波动。从大的实物讲,如地球上经常出现地震波;从小的实物讲,如晶体的原子点阵间无时不在传动的点阵波。对具有特殊物理性质的固体材料,还可以激发一些特殊的波:如在压电材料里可有电声表面波;在铁磁材料里可有自旋波、磁弹波等。在等离子体里也可以激发一些不同类型的波。在地球的电离层内,由于随流体运动的磁场线对流体施加磁压,并由于流体压能够自动调整以平衡变化着的磁压,于是可以激发沿着磁场线传播的一种磁声波。这只是等离子体内可以产生的许多类型波之一。等离子气体内还可以有,等离子体-电子波,等离子体-离子波等等。固体里也可以充满载流子,形成等离子体,因而可以激发一些具有特征的波,如阿尔文波和螺旋子波等。包括光波的电磁波,是同人类生活关系最密切的波之一。它不仅可以在流体、固体和等离子体内传播,在真空中会照样传播。宇宙中充塞各种光和各种射电。广义相对论还预言存在引力波。据认为,一种较强的引力波源是双星体系。有质量的粒子也具有波的性质,于是有所谓物质波,如电子波、中子波。
4.波是宇宙中极广泛的现象。波的概念是物理学中少数极其重要的统一概念之一;实用上,波是信息的载体。波在空间和时间的分布,也就是波函数的函数形状。波传播方向的单位矢量叫波矢。波源总是在一定的时间开始发射波的,因此波总有前沿。波的前沿曲面叫波阵面。在某个时刻其上各点相位取等值的曲面称为等相面,平面波、柱面波和球面波的等相面分别是平面、柱面和球面。波的波阵面一般是等相面。简谐波具有时空上无限重复的波形,这只能是理想的波,或说数学上简化的波,因为实际的波不可能在空间无头无尾,在时间上无始无终。因此,单一频率也是理想化的概念,实际上只有近似的单频波或准单色波。但这个理想化的波十分重要,因为任何实际存在的波可以看作是许多不同简谐波的和。实际波的波形在时空上可以是重复变化的,但不会没完没了地重复。它们一般并非正、余弦形的,例如可以是锯齿形的。更多实际波的波形并不重复变化,例如单个脉冲波。
5.波具有一些独特的性质,从经典物理学的角度看,明显地不同于粒子。这些性质主要包括波的叠加性、干涉现象、衍射现象等。叠加性是波(确切地讲指线性波)的一个很重要的属性。如果有两列以上的同类波在空间相遇,在共存的空间内,总的波是各个分波的矢量和(即相加时不仅考虑振幅,还考虑相位),而各个分波相互并不影响,分开后仍然保持各自的性质不变。叠加性的依据是,(线性)波的方程的几个解之和仍然是这个方程的解;这个原理称叠加原理。干涉是指由于叠加,两列或两列以上具有相同频率、固定相位差的同类波在空间共存时,会形成振幅相互加强或相互减弱的现象,称为干涉。相互加强时称为相长干涉,相互减弱时称为相消干涉。衍射是指波在传播中遇到有很大障碍物或遇到大障碍物中的孔隙时,会绕过障碍物的边缘或孔隙的边缘,呈现路径弯曲,在障碍物或孔隙边缘的背后展衍,这种现象称为波的衍射。波长相对障碍物或孔隙越大,衍射效应越强。
6.同干涉有关的是波的相干性。并不是任意的两列波都可以产生干涉,而需要满足一定的条件,称为相干条件,主要是要有相同的频率和固定的相位差。两个普通光源产生的光波很难产生干涉。因为光源有一定的面积,包含了许多的发光中心,而对于普通光源,这些发光中心发光时并不协调,相互间并无联系。为此,在经典的杨氏干涉实验中,有必要从同一个光源分出两束光波,以取得干涉。激光器则不然,它的多发光中心是相位关联的,它所发射的波虽还不是单频,但频带非常窄。这样,人们说普通光源所辐射的波相干性差,而激光器所辐射的则相干性好。一个波的相干性实际上是这个波能够到什么精确程度用简谐波来代表的描述。这是个定性的提法。要定量地描述相干性(严格讲是相干程度),需要用统计观点,用两点上不同时刻间扰动的时间平均。可以在一定程度上把相干性分成两个部分:一个是空间相干性,起因于光源占据有限空间;一个是时间相干性,起因于辐射波的有限频宽。
7.几个波可以叠合成一个总的波,反之,一个波也可以分解为几个波之和。根据傅里叶级数表示法,任何一个函数都可以表示为一系列不同频率正弦和余弦函数之和,所以任何波形的波都可以归结为一系列不同频率简谐波的叠加。这种分析方法称频谱分析法,它为认识一些复杂的波动现象提供了一个有力的工具。所有的波都携带能量。水面波把水面的上下振动传给波阵面前方原来是静止的水面,这意味着波带有动能和势能。波所携带的能量常用波内单位体积所具有的能量来计量,叫波的能量密度。在单位时间内通过垂直于波矢的单位面积所传递的能量叫波的强度或能流密度,它是波的能量密度和波的传播速度的乘积。通常讨论的波,如一般的声波和光波,几乎全是线性的。但实际中也有不少波是非线性的。这时情况就有些变动。线性是个数学名词。应变量与自变量成正比这么一个关系叫线性关系;否则是非线性关系。波里的物理量(或其扰动)如果足够小,以致运动方程中物理量的二次项和高于二次的项,比起一次项来可以忽略不计,那么,对波的性质和行为起决定作用的,是一次项。按照线性的含意,这种波称线性波。自然界不那么简单,把一些现象限制在线性范围内。但凑巧,在许多种类的波中,人类生活中最常遇到的,正是这种用线性关系可以表达的波,如一般的(不是所有的)水波、声波、光波等。
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