机械波的条件与分类-通识物理

在前面的内容中，我们主要涉及了“振动”的相关知识，而接下来我们将要学习“波动”。那么，振动和波动有什么区别和联系呢？为了很好地说明这个问题，我们一起来看这样一个例子吧：向湖面扔一个空水瓶，我们会看到以落水点为中心，湖面上一个接一个的圆形水波向外荡漾开来，而空水瓶则在落水点上下往复振动。这个例子就很好地说明了振动与波动的区别、联系。一方面，空水瓶在落水点上下起伏，这就是振动；而空水瓶落水导致水波向外荡漾、传递开来，这就是波动。对比地提炼两者的区别：“振动是在原位置附近做周期性往复运动；而波动则是把这种振动形式向外扩散。”另一方面，我们还注意到：空水瓶落水而引起的振动是水波产生的原因，而水波上每个点（水滴）都在做与空水瓶类似的振动。所以，对比地总结两者的联系：“振动是波动产生的根源，而波动则是振动的传播。”水波形成的实例，使我们感受到水波是空水瓶机械振动的传播，而机械振动的传播就会形成“机械波”。

形成机械波有两个必要条件：首先，一定要有做机械振动的物体，也就是机械波的波源。比如在前面的例子中，空水瓶落水而引起的水面振动，就是水波形成的波源；同样，人之所以能听到声波，也是因为有人说话，人的声带振动就是声波的波源。其次，一定要存在传播这种机械振动的弹性介质。比如，水波的传递必须有水这种介质，而声波的传递也必须有空气作为介质。值得注意的是：电磁波可以在真空中传播，并不需要介质，所以电磁波不是机械波。但一般而言，机械波和电磁波都被称为“辐射波”。

图7.8　横波和纵波(www.xing528.com)

如果按照振动方向与波动方向的关系，机械波可以分为“横波”和“纵波”。首先，如果质点的振动方向与机械波的传播方向相互垂直，这种波就是“横波”。如图7.8 所示，我们将弹性绳子的一端固定，另一端握在手上，使手拉的一端做垂直于绳子的上下振动，就可以看到一个接一个的凹凸相间的波形沿着绳子向固定端传播，从而形成绳子上的横波。值得注意的是：横波要求振动质点能带动邻近质点一起振动，所以两个质点间的相互作用力必须较强。由于液体和气体分子间的引力相对较弱，所以横波一般只能在固体中传播，其特征是具有交替出现的波峰和波谷。讲到这里，有读者可能觉得奇怪：水是液体，但水波怎么好像也符合横波的基本特征呢？这是因为，水面由于分子引力不平衡，所以存在表面张力。正如我们在《液体的表面特性》一章中讲到的那样，表面张力使水面就像一张橡皮膜充满了弹性，所以水面和橡皮膜一样都可以传播横波。但是在水面以下，由于没有表面张力，所以也就不可能传播横波了。其次，如果质点的振动方向与机械波的传播方向相互平行，这种波就叫作“纵波”。同样如图7.8 所示，我们将一根弹簧水平放置，用手把弹簧左右推拉，弹簧上各点受到交替变化的拉压作用，相互产生交替变化的伸长和压缩形变，从而产生疏密相间的纵波。在现实生活中，声波就是一种典型的纵波。声音在空气中的传播，就是靠空气分子间的相互挤压而向外传递开的。与横波不同的是，纵波只要求相邻质点在相互挤压时能产生作用力，所以纵波可以在固体、液体和气体中传播，其特征是具有交替出现的密部和疏部。也正因为如此，我们不仅在空气和水中可以听到声音，把耳朵贴墙甚至也能听到隔壁的说话声，这也就是所谓的“隔墙有耳”了。

最后，请读者再思考一个问题：光是一种电磁波，那么光波究竟是横波还是纵波呢？我们将在《光学》一章为大家揭晓答案。