机械波与电磁波的区别与应用

机械波与电磁波的区别与应用
机械波与电磁波是波的两种主要形式，它们共有波的基本特性：比如说能发生反射、折射、干涉、衍射，都能够传播能量与信息，波速、波长、频率之间具有同样的关系。

它们又有各自不同的地方：电磁波是一种横波，有偏振现象，机械波的形式可以是纵波也可以是横波、电磁波的传播不需要介质，机械波必须在介质中传播。

由于两者性质的不同，他们在现实生活中也有着不同的应用。

远距离的测量可以用到机械波和电磁波。

在海上航行的船只在测量海底深度时会用到一个叫声纳的装置，它的工作原理是发出一束能量很强的超声波，超声波在到达海底后发生反射，测量超声波发射到反射回船只的时间就能得到海底的深度。

当测量地球到月球的距离时，就必须用到电磁波。

将上述工作原理中的超声波改为电磁波就能合理地测量地球到月球之间的距离。

超声波的穿透能力很强，在水中传播时损耗很小，所以能够较好地测量海底的深度，但是超声波不能在真空中传播，所以在测量地月距离时必须要用到电磁波。

机械波的另一个主要应用表现在对地震波的测量和分析。

地震波是由地震震源发出的在地球介质中传播的弹性波。

地震发生时，震源释放出巨大的能量。

震源区的介质在这股能量的驱动下发生剧烈的振动和破裂，这种振动构成一个波源。

由于地球介质的连续性，这种波动就向地球内部及其表层各处传播出去，形成了连续介质中的弹性波。

地震震源施放出的能量沿振动波传播到地表，给地面的建筑物造成强烈的破坏。

地震波主要分为两种，一种是实体波，一种是表面波。

表面波只在地表传递，实体波能穿越地球内部。

实体波在在地球内部传递，又分成P 波和S 波两种。

P 波为一种纵波，粒子振动方向和波前进方平行，在所有地震波中，前进速度最快，也最早抵达。

P 波能在固体、液体或气体中传递。

S 波前进速度仅次于P 波，粒子振动方向垂直于波的前进方向，是一种横波。

S 波只能在固体中传递，无法穿过液态外地核。

表面波又称L 波，是由纵波与横波在地表相遇后激发产生的混合波。

表面波有低频率、高震幅和低频散的特性，只能沿地表传播，是造成建筑物强烈破坏的主要因素。

根据对波动方程20tt xx u v u -=的分析可以得到：地震波的传播速度由下式决定。

v =
该式中E 为介质的弹性模量，ρ为介质的密度。

P 波的传播是由介质沿传播方向的振动导致的。

这种振动的效果是介质体元体积的变化。

当向岩石立方块表面施加一均匀压力时，其体积将减小，其单位体积的体积变化所需压力大小的度量称为体积弹性模量κ。

P 波的波速可以表示为：
P v κρ
= S 波的传播是由垂直于传播方向的介质振动导致的。

这种振动的效果是介质体元的剪切变形。

在向岩石体元两相对的面上施加方向相反的切向力时，这体元将受剪切而变形，而没有体积变化。

其单位体积的剪切形变所需压力大小的度量称为剪切弹性模量μ。

S 波的波速可以表示为：
S v μρ
=地球岩石介质的平均体积弹性模量922.710/N m κ≈⨯，平均切变弹性模量
921.610/N m μ≈⨯。

由该数据我们可以得到：P 波的传播速度比S 波的传播速度快。

利用P 波与S 波传播速度的差异，我们只需要测量出P 波与S 波抵达地震台站的时间差t ∆就能得到震中距r ：
S P
r r t v v -=∆ 从上式中就能得到：
P S P S
v v r t v v -=∆ 研究地震波传播速度的另一个目的就是确定地球内部圈层的结构。

地球的内部圈层结构是根据地震波来划分的。

这幅图给出了地震波的概念，并在图面上显示了P 波
（乙）和S 波（甲）
的传播及其特点。

地
震波传播的速度与其
通过的介质性质有
关。

如果介质是均质
体，地震波是等速直
线传播的。

当介质性
质发生变化时，地震
波传播速度会有变
化，特别是地震波通过性质完全不同的两种物质的分解面时，波速会发生突然变化（突快、突慢或突然消失）。

这样，地震波就可以带来地球内部的信息，利用这些信息就可以推测地球内部构造和物质状态。

地震波在地球内部传播的速度一般随深度递增，但又不是匀速增加，通常在若干深度处发生突然变化，这种纵向上的不均匀性，说明地球内部物质成同心圈层构造。

从图中可知：
在地下约33千米处，地震波的纵波和横波的波速，由地表向下突然加大。

这说明该深度处上下物质在成份或状态上有改变，这个深度就是上下两种物质的分界面，我们称之为不连续面。

1909年，奥地利地震学家莫霍洛维契奇根据地震资料，首先发现了这一不连续面，故命名为莫霍洛维契奇面，简称“莫霍界面”。

在地下2900千米处，地震波横波突然消失，纵波的速度明显下降，说明此深度处地球内部物质也有明显差异，也称为不连续面。

1914年，德国地震学者古登堡最早研究了这一不连续面，故命名为“古登堡界面”。

莫霍界面和古登堡界面将地球内部划分为三个圈层：地壳、地幔、地核。

地壳位于莫霍界面之外，是地球表面一层薄薄的，由岩石组成的坚硬外壳。

它厚薄不一，大陆部分比较厚，大洋部分比较薄，平均厚度约为17km。

地幔位于莫霍界面与古登堡界面之间，厚度为2800多km。

根据地震波波速的变化，把地幔分为上地幔与下地幔两层。

在上地幔顶层存在一个软流层，一般认为这里可能是岩浆的主要发源地。

地核以古登堡界面与地幔分界，厚度为3400多km。

地震波的波速在古登堡界面至地心之间的地下5100千米处，也存在一定的变化，称为次级不连续面。

这个次级不连续面将地核分为外核和内核。

地核的温度很高，密度和压力很大。

对地震波的研究渗透了机械波研究的每一个方面，人们通过对地震波的研究了解了地球的内部圈层结构。

电磁波的应用的一个表现是雷达的发明和发展。

20世纪初，无线电技术的迅速发展，得力于人们对电磁波的不断深化认识。

电磁波帮组人类将通信距离伸展几千公里，是一个很好的例子。

人们从蝙蝠这一动物得到启发，它利用喉部发出的超声波，通过障碍物如虫、飞蛾的反射，再被耳朵接受，从而发现目标。

考虑用电磁波实现对运动物体的远距离测量。

1935年瓦特和其他英国电气工程师利用蝙蝠寻找物体的原理研制了第一部用于探测飞机的雷达。

雷达最主要的功能是发现目标和测定目标的位置，它的基本组成包括三个部分，发射机，接收机和无线外加显示器、定时器和控制系统等主要构件。

雷达发射机产生足够的电磁能量，经过收发转换开关传送给天线。

天线将这些电磁能量辐射至大气中，集中在某一个很窄的方向上形成波束，向前传播。

电磁波遇到波束内的目标后，将沿着各个方向产生反射，其中的一部分电磁能量反射回雷达的方向，被雷达天线获取。

天线获取的能量经过收发转换开关送到接收机，形成雷达的回波信号。

由于在传播过程中电磁波会随着传播距离而衰减，雷达回波信号非常微弱，几乎被噪声所淹没。

接收机放大微弱的回波信号，经过信号处理机处理，提取出包含在回波中的信息，送到显示器，显示出目标的距离、方向、速度等。

为了测定目标的距离，雷达准确测量从电磁波发射时刻到接收到回波时刻的延迟时间，这个延迟时间是电磁波从发射机到目标，再由目标返回雷达接收机的传播时间。

根据电磁波的传播速度，可以确定目标的距离为：
S=CT/2
其中S：目标距离，T：电磁波从雷达到目标的往返传播时间， C：光速
随着科技的发展，雷达的工作机制越来越复杂，精确度和抗干扰能力越来越强，但是基本的工作原理却依然没有变化。

机械波和电磁波作为大学物理中的两个基本概念，分清楚它们的区别和不同的应用对于大学生来说还是有重要意义的，对于之后的物理学习也有很大帮助。