第10节波
平静的水面,落下一颗石子,就看见一圈一圈的水面起伏,以石子落水处为圆心,慢慢向外蔓延。随着时间流逝,起伏最终消失,水面恢复平静。这种扰动(石子c雨滴等引起的水面起伏)以一定速度向远处传播(蔓延),称这种传播着的扰动为波。
通常将波的概念限制在自然世界中。在社会变化中,也有类似的情况,称呼的概念换成浪潮,趋势等等。比如谣言产生后,开始传播,四处都流传着,范围越来越广。这是虚假信息的传播。从流行歌曲c网络名词到时尚,都符合波动定义。文明的交流,通过商业贸易,也是波。
回到物理世界,石子造成的扰动,是石子势能转换成水的动能。而波在传播中,抵达的水都开始扰动,意味着动能也在传播。随着波越传越远,接收动能的水越来越多。按照能量守恒,那么所有收到动能的水的动能总量不变,那么每部分水的动能越来越小。最后动能全部转为热量,水面恢复平静。换而言之,波传播过程同时也是能量传播过程。
对于物质运动状态变化类型的扰动传播,我们称为机械波。如果是人的思维模式变化类型的传播,可称为心灵风暴波。如果是人有组织行为类型的传播,可称为社会运动波。机械波的出现,意味着:1扰动源存在,也就是有能量供应源。2存在接收扰动的对象,称为介质。这两种存在,对其他类型的波也是适用的。对于石子形成的波,扰动源就是石子,介质是水。宗教的传播,扰动源就是教义,介质是人。
观察:
1艺术体操运动中,运动员舞动着长带,长带在空中上下卷动,却不落地,正是波的传播,使得带子始终处于状态剧烈变化中,而无法落地。
2世界各地经常出现地震。报道中会给出震中位置,地震强度级别。震中就是扰动源的位置,级别就是地震能量的强度。地震波在传播中,能量随之而来,改变建筑物品的状态。如果能量太大,建筑等承受不住而损坏。损坏程度称为烈度。随着传播距离的增加,总能量逐渐损耗,加之能量分担对象越来越多,危害逐渐减小。
3宗教的传播过程中,改变的是人的观点c立场c思考方式等。和机械波不同的是不存在能量的衰减问题。事实上,随着宗教的传播,信徒越来越多,宗教的势力不断增加。
4在水面不同位置,投放两个或多个石子,发现各自都形成波,相互之间影响可叠加或抵消,但都在传播。不同的宗教或文化,在传播中无法像机械波一样相互叠加或抵消,因为正常人无法同时以相左的立场c观点来思考世界。更多的时候是相互争夺信众,就如同销售市场的争夺一样。当然作为趋利避害的生物本能,采用老张的哲学也是有可能的。
5人是社会性动物,从众心理是本能的自我保护意识。所以使得谣言c恐慌性心理容易扩散,三人成虎正是这个意思。
波传播中,扰动使得传播路径上的物体状态改变,但这种改变不是永久性的。当能量耗散后,物体恢复原始位置。那么物体状态的变动就是在原始位置附近振动。振动导致物体处于某个范围,当范围和传播路径重合时,说明物体的振动是沿着传播方向进行来回进行的,这种类型称为纵波。如果振动的方向和传播方向垂直,则称为横波。通常的波经常是部分纵波和部分横波的混合。
观察水面上的落叶,当有波传播经过时,落叶在水面上下起伏,并不移动,说明在水面的波是横波。地震来临时,如果感到人左右摇晃,说明地震波是纵波,如果是上下起伏,说明是横波。
波传播途中,能量使得路径中的物体改变状态,物体有惯性,改变状态不可能是瞬间就完成,因此扰动的传播是有速度的。比如水波,我们观察水纹的最高点,称为波峰(对应水纹低于水面的最低点称为波谷)。在波传播中,扰动不断地制作出波峰,新的波峰相比以前的虽然高度慢慢下降,但始终是附近小区域最高的位置。最新的波峰和原始位置之间的距离不断加大,波的传播速度就定义为这个距离除以时间。相邻的两个波峰之间的距离,就定义为波长。一定时间内,水面上落叶起伏的次数,称为频率,单位是以德国人赫兹命名,英文hz表示。落叶每起伏一次,意味着波向前传播了一个波长的距离。那么可得出:速度一波长频率。
在水面波传播时,如果水面有障碍存在,比如巨大的石块,则波抵达石块后反身往回传播,这个称为波的反射。如果石块较小,发现石块背后也产生波纹,称之为波的衍射,或称为绕射。这里提到石头尺寸的大和小,标准是按照什么定?在描述波的属性中,只有波长是长度的单位。因此大和小的标准就是波长。比波长大很多的就是巨大,比波长小的就是小。
思考:
1波的传播速度由什么决定呢?扰动在改变传播路径上物体状态时,如果状态改变快,则波传播的快。惯性大小是物体维持原状态能力的量度,因此惯性越大则状态改变越慢。在讨论连续物体时,我们使用单位体积内的物质惯性来衡量,那么这就是密度。因此波传播路径上物质的密度越大,波速越小。不同的物质弹性不同,弹性越大,物体维持完整性的能力越大,则物体受相邻部位的形变影响越大。比如泥土,基本没有弹性,某处受力后泥沙飞溅,其他部分的泥土没有动静。比如铁棒,弹性很强,某处受力后,铁棒整体翻滚。因此弹性系数越大,波速越大。
2波的频率是由什么决定的?波的起源是扰动源,介质目的是传递扰动,可以对传播速度c能量传递效率起作用。所以影响频率的因素只能是扰动源。扰动源的扰动频率决定了波的频率。
3不同物质的密度弹性不同,波速不同。在波传播路径上存在不同物质分布,我们可以在不同位置测量波到达的时间,来反向推理不同物质的分布情况。在地质勘查中,通常是人工制造一场
(本章未完,请翻页)地震,使用大量引爆来产生。在选好的不同位置上来接收地震波。人工地震产生后,波四处传播,一部分波直接抵达测量点,另外一部分向地球内部传播,碰到不同类型的岩石后又重新c四处传播。测量这些从地球内部传播出来的波,依据测量点地震波的抵达时间以及强度,可以推理出内部的岩石成份和构造。石油天然气勘查就是使用这种原理进行。
4当已知扰动源位置c强度后,在不同位置测量地震波,可以有效推理出地球构造。克罗地亚的莫霍洛维奇于1909年采用地震波探测到地壳和地幔之间的界面。1914年德国的古登堡发现地幔和地核之间的分界面。当地球内部构成比较清晰后,不同位置的测量点测量到地震波抵达,就可以推理出扰动源的位置和扰动强度。冷战时期,原子武器研发竞争很激烈,采用这样的方法,即便不派遣间谍,也可以获知核爆炸的位置和威力。
5深海中没有光线,视力无效。鲸鱼就通过制造机械波来通信。即便在浅海,光线传播距离很有限,海豚等哺乳类动物采用机械波来通信。在河流中,江豚类也同样如此。现代大量船舶行驶,螺旋桨制造很大的机械波干扰,导致这些动物通信失败或错误。