光波、声波、电磁波，它们都有什么共同特征？
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发布时间：2022-04-21 05:02
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时间：2022-06-18 03:03
波动是自然界中一种常见的物质运动形式。说到波动就要说到波源了，能够持续不断的发出波的物体或物体所在的初始位置，我们称之为波源。波动是波源的振动或者扰动在空间中逐点传播时形成的运动形式。
介质中质点受到相邻质点的扰动而随着运动，并将振动形式由远及近的传播开来，这样就形成了波。波传递的是振动能量，而波的传递过程中介质中粒子的实际位置并没有发生改变，比如人的声带并不会随着声波的传播而离开口腔。
有波动必然伴随着振动，有振动并不一定会产生波动现象。振动仅局限于极小范围的空间，是质点在平衡位置附近的往复运动；而波动是介质中大量质点的集体振动，呈周期性变化。
波的分类
为了更好的理解，我们需要将波进行分类。波的分类方法很多，从不同的角度会得到不同形式的分类。
按振动方向和波的传播方向的不同可分为横波和纵波，方向一致的称为纵波，反之称为横波；按振动源的物理量属性，可分为矢量波和标量波；按波阵面的形状，可以把波分成球面波、柱面波和平面波。
不过最常用的还是按性质来分类。波主要可以分为4种：机械波、电磁波、引力波、物质波。
1，机械波
机械波是由机械振动产生的，机械波只能在介质中（实物）传播，不能在真空中传播。没有传播介质，即使机械振动再强烈也不会产生机械波。在不同介质中机械波的传播速度也不同。机械波可以是横波，也可以是纵波。水波、声波、地震波等都是机械波。
2，电磁波
电磁波是以波动形式传播的电磁场，且能够在真空中传播。整个宇宙空间中充满了电磁波和电磁场。在真空中电磁波的传播速度恒定为光速。电磁波是横波，电磁波的电场方向、磁场方向及传播方向三者互相垂直。我们通常按频率或者波长将电磁波分为无线电波、微波、红外光、可见光、紫外光、X光射线、γ射线。电磁波主要用来通信。
3，引力波
引力是时空弯曲，引力波是引力源在时空中扰动而产生的涟漪。引力波的传播也不需要介质。电磁波对应着电磁场，而引力波对应着引力场。早在1916年，爱因斯坦就基于广义相对论预言了引力波的存在，直到100多年后，人类才首次观测到了引力波。通常只有大质量天体的活动才能产生比较明显的引力波。
4，物质波
任何微观粒子都具有波粒二象性，既可以当做波，也可以当做粒子对待。物质波又叫德布罗意波，是一种概率波，这与机械波不同。概率波是指物质所有可能存在的位置的概率分布函数。根据不确定性原理，粒子的运动并没有确定的轨迹，只能确定粒子在空间中某时某地可能出现的概率，其中概率的大小会受到波动规律的支配。
波的相关概念
各种形式的波都具有周期性。通常我们用波长和频率来定量的描述波。
波长指的是波在一个振动周期内传播的距离，形象点来说就是相邻的两个波峰或波谷的距离。
波的频率是指波在单位时间内完成周期性变化的次数，即周期T的倒数f=1/T。频率越高，说明波的周期性变化次数越快，所具有的能量也就越高，比如伽马射线的频率就极高，其穿透能力也极强。波的频率通常由波源决定。
此外波还有振幅和相位的概念。
振幅是表示波在传播过程中的振动强度的物理量，简单点理解就是波谷到波峰的高度的一半，这就是波的振动幅度。波在实际传播过程中，随着能量的衰减，振幅会逐渐减小。
相位可能有点不好理解，简单点来说就是周期性振动过程中质点在特定时刻所处的位置，同一频率的两列波之间还存在相位差的概念。
为了更好的理解，举个例子，在一平面直角坐标系内有一列频率恒定的波，当我们沿横轴平移时，其相位就发生了变化；如果我们沿纵轴进行压缩，波的振幅就会变小。
波的传播速度
不同形式的波在同一介质中的传播速度不同。比如先看见闪电，后听见雷声，就是因为光波比声波在空气中的传播速度快。
同一类型的波在不同介质中的传播速度也不一样。比如声波在海水中的传播速度比在空气中的传播速度快。在空气中声音的传播速度为340米每秒，在海水中大约为1500米每秒。
频率一样的同类型波在同一均匀介质中的传播速度相同。不同频率的同类型波在同一介质中的传播速度不一样，频率越高速度越慢，折射率也就越大，光的色散现象就是因此产生的。
波的速度v、频率f及波长λ三者之间的关系为v=fλ，对于在真空中传播的电磁波，这里的v就变成了光速c，并且光速在真空中是恒定的。
波的传播规律
不管是机械波还是电磁波，它们的传播规律都大致相同。波在传播的过程中，会发生折射、反射、衍射、干射、散射、吸收及偏振等现象。
折射和反射主要发生在不同介质的界面上。波由一种介质进入另一种介质时，传播方向的改变称之为波的折射，比如筷子在碗中的弯折现象，就是由于光的折射造成的。当遇到障碍物反射回来继续传播的现象称之为波的反射，比如回声、镜像等现象就是反射的体现，当入射波与反射波发生干扰时还会形成驻波。
波的衍射是指波在传播过程中遇到障碍物时可以绕过障碍物并继续传播的现象。当障碍物的尺寸跟波的波长差不多或者比波长小时，才能观察到明显的衍射现象。
波的干涉其实就是波的叠加现象，两列或两列以上的波在一定条件下才能发生干涉现象。当两列波的频率相同、振动方向相同、相位相同或相位差恒定时才会发生相干。两列波的干涉会使波的振幅相互加强或者减弱。
波的散射是指由于传播介质的不均匀引起的，当波通过不均匀的介质时，一部分会偏离原来的传播方向。比如太阳光通过大气层时就会发生散射，天空之所以是蓝色的就与散射有关。散射与折射是不同的，散色发生在同一介质中，而折射发生在不同介质的分界面上。
（晚霞就是由于大气对阳光的散射形成的）
通常波以球面形式向远方传播，因为能量守恒，随着距离的增加，波的强度与能量都会发生衰减。而且当波在传播时，还会被介质吸收，不同介质对波的吸收能力也不同。至于偏振是指横波的振动方向与传播方向并不完全垂直，而偏于某些方向的现象。只有横波才会发生偏振现象，纵波不会发生偏振。自然光都是属于非偏振光。
粒子的波动性
任何微观粒子都具有波动性，波粒二象性是微观粒子的基本属性。关于这个性质，可能很多人理解不了，读完下面的内容，希望能够对大家有所帮助。
人们很早就意识到物质是由微粒构成的。正是因为有了光，我们才能看到这多彩世界。关于光的本质的讨论，一直是一个热门话题。在17世纪诞生了微粒说与波动说两个观点。
最早认为光是微粒，是伽森荻提出来的。牛顿继承和发展了这个观点，并很好的解释了光的直线传播、色散、折射和反射现象。不过微粒说在解释几束光相遇后互不妨碍的继续传播等现象时，却遭遇了极大的困难。与牛顿同时代的惠更斯另辟蹊径提出了波动说。在那个时代，惠更斯认为光是一种机械波，由发光物体振动产生，靠以太这种弹性介质进行传播。这一学说很好的解释了微粒说所不能解释的现象，但却在解释光的直线传播和色散等方面遇到了困难。
关于光究竟是粒子还是波的争论一直持续了很久。直到19世纪，麦克斯韦在总结了前人关于电磁现象的研究之后，建立了统一的电磁理论，预言了电磁波的存在。由于理论计算出来的电磁波的传播速度等于当时已用实验测得的光速，于是麦克斯韦认为光也是电磁波。后来赫兹通过实验证明了电磁波的存在。关于光的衍射实验更加印证了光具有波动性。
似乎一切都要尘埃落定了。不过1905年爱因斯坦提出了光量子假说，认为光也像电子一样具有粒子性，并成功的解释了光电效应 。于是人们意识到光同时拥有粒子和波的双重属性。
1924年，德布罗意提出了物质波的假说，认为其它物质和光一样也具有粒子和波的双重属性。后来科学家们通过电子衍射实验，证明了电子也具有波动性。科学家们发现不仅光子、电子，连分子原子也具有波动性。于是科学家们认识到了波粒二象性具有普遍意义。
1927年海森堡提出了不确定性原理。同年，肯纳德给出了另一种表述。
海森堡认为，测量行为会对粒子产生干扰，当粒子的位置被确定时，其动量就不能被确定，反之亦然，因此不确定性原理也叫测不准原理。按照肯纳德的表述，位置与动量的不确定性是粒子的内秉属性，与测量行为无关。当今物理学界普遍认为，不确定性是粒子的内在属性，并不是因测量扰动造成。粒子的波动性正是源于粒子状态的不确定性。
多普勒效应
多普勒效应之所以单独提出来讲，是因为它的重要性。多普勒效应适用于一切波动现象，医院中的B超或者彩超就是利用了多普勒效应进行成像。
多普勒效应，相信很多人都听说过。当波源与观察者发生相对运动时，观察者接收到的波的频率相对于波源发生改变的现象叫做多普勒效应。
当一辆摩托车迎面驶来时，摩托车声音的音调（音调就是声音的频率）会在由远及近的过程中逐渐升高，声音会变得尖锐；如果摩托车背向而去，摩托车发出的声音的音调会逐渐降低，变得深沉。
如果波源是固定不变的，不动的观察者接收到的频率与发射频率相同。如果波源和观察者发生相互运动，当他们相互远离时，频率会降低；让他们相互靠近时，频率会升高。
由于运动是相对的，波源在动，还是观察者在动，效果都是一样的。多普勒效应并不是由于波源向外发出的频率因运动发生了改变，而是由于运动造成观察者所接收到的完全波的个数发生变化，在我们看来似乎是波源发出的波的频率发生了改变。
多普勒效应的应用比较广泛，除了上述的B超，在交通中常用的还有多普勒测速仪。科学家们还根据多普勒效应产生的光谱红移现象，发现了我们与河外星系正在相互远离。
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