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波动

一维波动

One-Dimensional Waves

一维波动函数 (The one-dimensional wave function)

ψ(x,t)=f(xvt)

一维微分波动方程 (The one-dimensional differential wave equation)

2ψx2=1v22ψt2
推导过程

已知一维波动函数为 ψ(x,t)=f(x),其中 x=xvt

  • I

首先对 x 求偏导数,t 视作常数,则有

ψx=fxψx=fxxx=fxbecausexx=(xvt)x=1
  • II

t 求偏导数,x 视作常数,则有

ψt=fxxt=fx(v)=vfx
  • III

至此,我们得到了

{ψx=fx(1)ψt=vfx(2)

将上面两个式子结合,可得

ψt=vψx
  • IV

继续,对 x 求二阶偏导数,t 依旧视作常数。根据式 (1),有

2ψx2=2fx2
  • V

t 求二阶偏导数,x 依旧视作常数。根据式 (2),有

2ψt2=t(vfx)=vx(ft)

因为 ψt=ft,所以有

2ψt2=vx(ψt)

对上式代入式 (2) ψt=vfx,可得

2ψt2=v22fx2
  • VI

整理 IV 和 V 的结果,可得

{2ψx2=2fx2(3)2ψt2=v22fx2(4)

合并式 (3) 和 (4),可得

2ψx2=1v22ψt2

谐波

Harmonic Waves

一般形式

ψ(x,t)=Asin[k(xvt)]=f(xvt)

其中

  • k 是一个正的常数,被称作波数 (propagation number / wave number)。这里的 k 是必要的,这是因为三角函数的参数必须为无量纲量。(xvt) 的量纲是【长度】,因此 sin(xvt) 在物理量纲上是不自洽的。为此引入 k 并令其量纲为【长度-1】,这样 [k(xvt)] 的量纲为【无量纲】,从而 sin[k(xvt)] 在物理量纲上是自洽的。
  • A 是振幅 (amplitude)。

空间周期性 (Spatial Periodicity)

谐波具有空间周期性,用数学语言描述为

ψ(x,t)=ψ(x±λ,t)

其中

  • λ=2πk 被称作波长 (wavelength)。
推导过程

展开分析

{ψ(x,t)=Asink(xvt)=Asin[k(xvt)±2π]ψ(x±λ,t)=Asink[(x±λ)vt]=Asin[k(xvt)±kλ]

合并上面两个式子,可得

Asin[k(xvt)±2π]=Asin[k(xvt)±kλ]±2π=±kλ

因此

λ=2πk

时间周期性 (Temporal Periodicity)

ψ(x,t)=ψ(x,t±τ)

其中

  • τ=2πkv 被称作周期 (period)。
推导过程ψ(x,t±τ)=Asink[xv(t±τ)]Apply distributive property carefully:=Asink[xvtv(±τ)]Group the original phase terms:=Asin[k(xvt)Original Phase(±1)kvτShift]

这里 (±1) 的结果虽然看起来复杂,但本质上只是让相位增加或减少 kvτ。 为了满足波的周期性 ψ(x,t)=ψ(x,t±τ),相位偏移量的大小必须为 2π

kvτ=2π

因此得到

τ=2πkv

符号整理

符号名称单位 (SI)常用关系式
A振幅 (Amplitude)m-
k角波数 (Propagation Number)rad/mk=2πλ
v波速 (Wave Speed)m/sv=νλ=ωk
λ波长 (Spatial Period, Wavelength)mλ=2πk
τ周期 (Temporal Period, also T)sτ=2πkv=1ν
ν频率 (Temporal Frequency)Hzν=1τ
ω角频率 (Angular Temporal Frequency)rad/sω=2πτ=kv
κ波数 (Spatial Frequency, Wave Number)m⁻¹κ=1λ=k2π

其它

最常使用的两种谐波表达式:

  • ψ=Asin[k(xvt)]
  • ψ=Asin(kxωt)

相位和相速度

Phase

φ(x,t)=(kxωt+ε)

固定位置 x 不变,对时间 t 求偏导数,可得 the rate-of-change of phase with time:

|(φt)x|=ω

类似地,固定时间 t 不变,对位置 x 求偏导数,可得 the rate-of-change of phase with distance:

|(φx)t|=k

于是有

(xt)φ=(φ/t)x(φ/x)t(xt)φ=±ωk=±v

(Problem 2.34)

±v=(ψ/t)x(ψ/x)t

叠加原理

The Superposition Principle

对于波速 (wave speed) 相同的两种波,叠加后仍然满足波动方程:

2ψ1x2=1v22ψ1t2and2ψ2x2=1v22ψ2t22ψ1x2+2ψ2x2=1v2(2ψ1t2+2ψ2t2)2x2(ψ1+ψ2)=1v22t2(ψ1+ψ2)

复数表示法

The Complex Representation

eiθ=cosθ+isinθeiθ=cosθisinθcosθ=eiθ+eiθ2sinθ=eiθeiθ2iz~=reiθ=rcosθ+irsinθ

其中

  • r is the magnitude of z~
  • θ is the phase of z~
ψ(x,t)=Re[Aei(ωtkx+ε)]

约定

ψ(x,t)=Aei(ωtkx+ε)=Aeiφ

相量与波的叠加

Phasors and the Addition of Waves

E2=E12+E22+2E1E2cosδ

平面波

Plane Waves

波前 (Wavefront / Equiphase Surface)

ψ(r,t)=Acos(krωt)ψ(r,t)=Aei(krωt)

三维微分波动方程

The Three-Dimensional Differential Wave Equation

2ψx2+2ψy2+2ψz2=1v22ψt22ψ=1v2ψ¨ψ(x,y,z,t)=Aeik(αx+βy+γzvt)

球面波

Spherical Waves

ψ(r,t)=(Ar)cos[k(rvt)]ψ(r,t)=(Ar)eik(rvt)

柱面波

Cylindrical Waves

ψ(r,t)Arcos[k(rvt)]ψ(r,t)Areik(rvt)