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惠更斯原理

2020-01-22 19:17:44 作者 : admin 来源 : 本站

将一块石头投入水中,便会激起一圈圈由中心向四周扩散的的水波。水波为什么会扩散?如果水波遇上树墩之类的障碍物,或者从池壁处反射回来,它的运动方式又该如何预测呢?惠更斯原理给出了以上问题的解答。即假设波阵面(也称波前)上的每一个点都是新波源,就能够预测波动的变化情况。

荷兰物理学家克里斯蒂安•惠更斯提出了一个预测波的前进方向的实用方法。向湖中投一颗石子,就会激起一圈圈涟漪。假设可以将圆环形波纹在某一时刻固定住,那么就可以将波纹上的每一个点视为一个新罔环波的波源,且这些波源所产生的波纹与固定住的圆环形波纹具有相同的特点。这好比将一圈石子按照被固定住的波纹的形状同时扔到了水中,于是波纹扩大,所形成的波纹又成为下一组波源传播能量的起点。多次重复应用该方法就能得到水波扩散的轨迹。

循序渐进 将波阵面上的每一个点都视为新的波源,且各波源具有相同的频率和相位,这就是惠更斯原理的基本思想。波的频率就是一定时间内波动周期的数量。而波的相位则是波在每次波动周期中的位置。例如,所有的波峰都具有相同的相位,每个波谷与邻近波峰之间都差半个周期。读者可以想象一下海浪,两个浪尖之间的距离(我侗称之为波长)假设是100米,那么它的频率,就是在1秒内通过某点的波长数。如果海浪以100米的波长通过某个点需要60秒,那么它的周期就是1分钟。发生海啸时海浪速度最快,最高可达每小时800千米(相当于喷气式飞机的速度),这些海浪在接近海岸时速度会降至每小时几十千米,并高高涌起来冲向海岸。

反复应用惠更斯原理,可以画出波在遇到障碍物或者与其他波相遇时的情况。假设已经在纸上画出了波阵面的位置,只要沿着波阵面一周上的点用圆规绘制出一系列半径相等的圆,再将圆的外边缘用光沿的曲线连接起来就能得到波的下一个位置。

惠更斯原理的简单方法可以描述多种情况下的波。线性波在传播过程中之所以能连绵不断,原因在于它产生的圆形小波会在波长的位置上汇聚起来,结果在最前端又形成了一个新的线性波阵面。如果观察几组平行线状海浪通过港口墙基上的小口时的情况,就会发现它们在通过之后变成了弧形。虽然通过的只是非常小的一段线状海浪,但是在出口处却形成了弧形,根据惠更斯原理,会有新的圆形波纹产生。如果小口的大小与波间距相比足够小,那么通过之后的波就是半圆形的。这种波通过小口向另一侧继续传播的现象称为衍射。

2004年,苏门答腊因地震引发了剧烈的海啸,波及整个印度洋。所幸的是,海啸在经过一些零零星星的岛屿时,由于衍射释放了一部分能量,使得某些地区受海啸的影响不大。

耳听为实? 惠更斯原理同时告诉我们,为什么你在隔壁屋里喊某人的时候,他仍能听见你,就像你站在过道里而不是隔壁屋。根据惠更斯原理,声波到达门口处就会形成一系列的点声源(这与海浪在港口墙基小口处的传播类似)。因此人们就误认为声音是在门口产生的,而之前声波的传播情况就丢失了。

同样,如果观察圆形水波碰到池壁时的情况,会发现反射产生的水波仍为圆形,只是方向相反。可见,波的反射也可用惠更斯原理进行解释。

如果海波进入较浅的水域,例如海滩,速度就会发生变化,而且波阵面也会弯向浅水区。对海波的这种“折射现象”,惠更斯的解释就是某些子波的半径变小了。波的速度越慢,产生的子波就越小。由于子波的速度快慢不一,于是新的波阵面与之前的波阵面之间就会产生一定的角度。

惠更斯原理的一个不太现实的推论是:如果所有新产生的小波都可视为波源的话,那么这些波源应该既能形成向前传播的波,也能形成向后传播的波。然而,对于波为什么总是向前传播,惠更斯没有给出答案,他只是假定波是向外传播,且折回的波是可被忽略的。因此,惠更斯原理对于预测波的传播是一个很有用的工具,但却并不是一个全面的解释性定律。

土星环 除对水波感兴趣外,惠更斯还发现了土星环。他首次指出围绕在土星周围的是扁平的圆盘,而不是卫星或者赤道的隆起。这也可用于解释卫星的轨道。牛顿的万有引力定律也适用于圆形轨道上运行的小天体。1655年,惠更斯发现了土星最大的卫星——土卫六。350年后,“卡西尼”宇宙飞船携带一个以“惠更斯”命名的探测器到达土星。该探测器穿过“土卫六”的大气层坠落到由固体甲烷所覆盖的土星表面。土卫六上有陆地、沙丘、湖泊,可能还有河流。土卫六上没有水,它全部由固态和液态的甲烷、乙烷组成。假如惠更斯知道了有一个以自己名字命名的飞行物到达了土星,恐怕会大吃一惊吧。而土星上波的研究工作仍采用了惠更斯原理。

关键词 : 原理