发表于《波动杂谈》
tmn_A作者
2年6个月前修改于 2年6个月前IP:湖南
931679
1楼

好的,那么现在开始第一点,即一维机械波动单一波模质元势能动能相等。由于我们要普遍地证明,所以,我们既不能完全脱离物理,只研究方程,也不能完全依赖某种特殊情况。

首先,我们要引入波动量\(u(x,t)\),它是一个二元函数,x为质元平衡位置的空间位置,t为时间,u则为在x处t时,介质质元相对平衡位置的位移。

我们在推导波动方程前,不妨先找找动能和势能的一般表示。

那么,对于线密度为\(\rho_1\)(这里角标为1,代表线密度,即一维的密度\(\frac{dm}{dx}\))的介质,我们可以很轻松地写出某一质元的动能:

\(dT=\frac{1}{2}(dm)v^2 = \frac{1}{2}\rho_1(\frac{\partial u(x,t)}{\partial t})^2dx\)(1.1)

然而,不同介质的势能却多种多样,找具体的表达式较为麻烦。不过,我们知道,势能一定依赖于相邻两质元波动量u之差,即:\(\Delta_1 = u(x+dx,t)-u(x,t) = \frac{\partial u}{\partial x}dx\)

这是因为,无外力,必无外势场,或者外势能可以忽略不计,势能只来自于介质本身。那么势能肯定只于介质质元间相对位移有关。

不妨记势能为\(V(\Delta_1)\)。

由于讨论的一般是平衡位置附近小幅波动,我们应把势能在0附近泰勒展开,即:

\(dV(\Delta_1) = \frac{1}{0!}dV(0)+\frac{1}{1!}\frac{d(dV)}{d\Delta_1}|_0\Delta_1+\frac{1}{2!}\frac{d^2(dV)}{d\Delta_1^2}|_0\Delta_1^2+o(\Delta_1^2)\)(1.2)

我们只保留到平方项。

由于平衡位置处,势能取得极值,势能的导数应为零。由于势能的值无意义,只有差有意义,所以我们完全可以定义平衡位置处势能为零。

那么,把相对位移的表达式代入式子后面部分,势能的表达式就可以被简化为:

\(dV = \frac{1}{2}\frac{d^2(dV)}{d\Delta_1^2}|_0dx(\frac{\partial u}{\partial x})^2dx\)(1.3)

是不是发现了规律?注意\(\frac{d^2(dV)}{d\Delta_1^2}|_0\)不是变量!它是平衡位置处势能对相对位移的二阶导数的值。

我们可以设:

\(\varepsilon_1 = \frac{d^2(dV)}{d\Delta_1^2}|_0dx\)(1.4)

那么:

\(dV = \frac{1}{2}\varepsilon_1(\frac{\partial u}{\partial x})^2dx\)(1.5)

可以发现,动能和势能的表达式已经很像了。

现在还有一个问题,\(\varepsilon_1\)是否和\(\rho_1\)一样是个常量?还是说是个小量?

解决这个方法,最好的办法就是……

雷氏力学!把(1.2)代入(1.4),不管偏导数,发现分子分母都有4个d,可以约去 sticker

好吧,是开玩笑的。

不过类似方法也能用。

先明确两点,振动量对平衡位置坐标的偏微商是常数,一元函数微分有分数性质。

(1.3)代入(1.4)可以发现,分子分母都是四阶小量,同阶小量之比是非零常数,所以\(\varepsilon_1\)是个常量。

评论(1)
1
文号 / 931679

百炼成钢
名片专栏发私信
学术分 0
总主题 15 帖总回复 172 楼拥有证书:进士 机友 笔友
注册于 2020/08/28 12:52:17最后登录 2026/10/30 21:53:39
主体类型:个人
所属领域:无
认证方式:手机号
IP归属地:广东

个人简介

辰星引力工作室成员,火箭爱好者,嵌入式爱好者,物理爱好者,还有亚雷斯塔克劳利是我老婆。

笔记
{{note.content}}
{{n.user.username}}
{{fromNow(n.toc)}} {{n.status === noteStatus.disabled ? "已屏蔽" : ""}} {{n.status === noteStatus.unknown ? "正在审核" : ""}} {{n.status === noteStatus.deleted ? '已删除' : ''}}
  • 编辑
  • 删除
  • {{n.status === 'disabled' ? "解除屏蔽" : "屏蔽" }}
我也是有底线的