波动
一维波动
One-Dimensional Waves
一维波动函数 (The one-dimensional wave function)
一维微分波动方程 (The one-dimensional differential wave equation)
推导过程
已知一维波动函数为 $\psi (x, t) = f(x^\prime)$,其中 $x^\prime = x \mp v t$。
- I
首先对 $x$ 求偏导数,$t$ 视作常数,则有
- II
对 $t$ 求偏导数,$x$ 视作常数,则有
- III
至此,我们得到了
将上面两个式子结合,可得
- IV
继续,对 $x$ 求二阶偏导数,$t$ 依旧视作常数。根据式 (1),有
- V
对 $t$ 求二阶偏导数,$x$ 依旧视作常数。根据式 (2),有
因为 $\displaystyle\frac{\partial \psi}{\partial t} = \frac{\partial f}{\partial t}$,所以有
对上式代入式 (2) $\displaystyle\frac{\partial \psi}{\partial t} = \mp v \frac{\partial f}{\partial x^\prime}$,可得
- VI
整理 IV 和 V 的结果,可得
合并式 (3) 和 (4),可得
谐波
Harmonic Waves
一般形式
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。$(x \mp v t)$ 的量纲是【长度】,因此 $\sin(x \mp v t)$ 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 $[k(x \mp v t)]$ 的量纲为【无量纲】,从而 $\sin[k(x \mp v t)]$ 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
其中
- $\lambda = \displaystyle\frac{2\pi}{k}$ 被称作波长 (wavelength)。
推导过程
展开分析
合并上面两个式子,可得
因此
时间周期性 (Temporal Periodicity)
其中
- $\tau = \displaystyle\frac{2\pi}{k v}$ 被称作周期 (period)。
推导过程
这里 $\mp (\pm 1)$ 的结果虽然看起来复杂,但本质上只是让相位增加或减少 $kv\tau$。 为了满足波的周期性 $\psi (x, t) = \psi (x, t \pm \tau)$,相位偏移量的大小必须为 $2\pi$:
因此得到
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/m | $k = \displaystyle\frac{2\pi}{\lambda}$ |
| $v$ | 波速 (Wave Speed) | m/s | $v = \nu \lambda = \displaystyle\frac{\omega}{k}$ |
| $\lambda$ | 波长 (Spatial Period, Wavelength) | m | $\lambda = \displaystyle\frac{2\pi}{k}$ |
| $\tau$ | 周期 (Temporal Period, also $T$) | s | $\tau = \displaystyle\frac{2\pi}{kv} = \frac{1}{\nu}$ |
| $\nu$ | 频率 (Temporal Frequency) | Hz | $\nu = \displaystyle\frac{1}{\tau}$ |
| $\omega$ | 角频率 (Angular Temporal Frequency) | rad/s | $\omega = \displaystyle\frac{2\pi}{\tau} = kv$ |
| $\kappa$ | 波数 (Spatial Frequency, Wave Number) | m⁻¹ | $\kappa = \displaystyle\frac{1}{\lambda} = \frac{k}{2\pi}$ |
其它
最常使用的两种谐波表达式:
- $\psi = A \sin [k (x \mp v t)]$
- $\psi = A \sin (k x \mp \omega t)$
相位和相速度
Phase
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:
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:
于是有
(Problem 2.34)
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:
复数表示法
The Complex Representation
其中
- $r$ is the magnitude of $\tilde{z}$
- $\theta$ is the phase of $\tilde{z}$
约定
相量与波的叠加
Phasors and the Addition of Waves
平面波
Plane Waves
波前 (Wavefront / Equiphase Surface)
处在同一平面波的点具有相同的幅值和相位。
三维微分波动方程
The Three-Dimensional Differential Wave Equation
球面波
Spherical Waves
柱面波
Cylindrical Waves
