在气体和液体中传播的声波是纵波；而在固体中传播的声波既有纵波，又有横波，且两种波的波速不同，纵波的速度大。虽然纵、横波的传播速度不同，随着时间的增加，两个波会分开，但是，纵波或横波在固体中不会单独存在，需要与其他波耦合

纠正波动现象中几个常见的错误认识

江苏省南通市第二中学　陈雅

　　波动现象是自然界很常见的现象，投石入水，水面激起同心圆形波纹，由中心向四面八方传播开来，这是大家最熟悉的波动现象。然而，关于波动问题，在中学教学中总是存在一些错误的“标准答案”，本文将对此一一澄清。

 

　　1．声波是纵波吗？

 

　　在波动问题中，常常会问及一种波是横波还是纵波。物理学中把振动方向与传播方向平行的波动，叫做纵波（P波），振动方向与传播方向垂直的波动叫横波（S波）。一般中学教科书中都谨慎地提到，“在空气中传播的声波是纵波”[普通高中课程标准实验教科书·物理·选修3-4，人民教育出版社，2005.12版，26]。然而，很多教师在教学中忽略了这个传播前提，只简单地理解为“声波就是纵波”。

 

　　实际上，流体（气体和液体）中的声波才是纵波。机械波的波速决定于媒质性质（弹性模量elastic modulus[弹性模量是指加于物体的应力(stress)与产生的应变(strain)之比]和密度），在无限大均匀固体中有两种声波传播，一种是纵波，一种是横波，波速分别为和

 

　　                ⑴

 

　　                ⑵

 

　　而在液体和气体中，声波（纵波）的速度为

 

　　                 ⑶

 

　　式中为杨氏模量[以英国物理学家托马斯·杨(1773—1829 年)的名字命名为杨氏弹性模量，指的是轴向应力和应变]，为剪切模量[切变模量是指剪切应力和剪力应变之比]，为体积弹性模量[体积弹性模量是在物体上的压力和体积的减少部分之比。]，为媒质的密度。因固体的体变模量大于切变模量，故在固体中纵波波速远大于横波波速。纵波传播时单位固体的体积发生形变，横波传播时，单位固体的体积不变（有剪切形变）。

 

　　可见，声波不一定是纵波，在气体和液体中传播的声波是纵波；而在固体中传播的声波既有纵波，又有横波，且两种波的波速不同，纵波的速度大。虽然纵、横波的传播速度不同，随着时间的增加，两个波会分开，但是，纵波或横波在固体中不会单独存在，需要与其他波耦合。

 

　　2．有了媒质，机械波就能传播吗？

 

　　我们知道，机械波的传播需要媒质，不能在真空中传播。但是有了媒质，机械波就一定能传播吗？

 

　　各向同性的弹性体中纵波的波速和横波的波速由下式给出：

 

　　          ⑷

 

　　                   ⑸

 

　　由于在流体中切变模量G=0，所以只存在纵波。因此可以得出这样的结论：机械横波不能在液体和气体中传播。这里要说明的是，并不是所有横波都不能在流体中传播，电磁波（横波）可以在气体和液体中传播，不能在流体中传播的是机械横波。

 

　　正是根据这个结论，人们利用地震波间接得知地球内部的构造。在短暂的作用下，地球介质可以看作是弹性体。当地球内部发生任何扰动时，例如地震或人工爆破，一部分能量以弹性波的形式传播出去。地震波在岩石中传播时，有纵波（P波），也有横波（S波）。两波的波速随深度的变化如图1所示，在2900km的深度上地震P波的波速陡然下降，S波消失。以这个间断面为界，以上叫地幔，以下叫地核。在地核的这个边界面上可以产生P波和S波的反射，但只有P波才向地核内部折射。这表明，地核内部处于液态。约在5000km之下尚有一个可传播S波的固态内核，这个新认识是肯定得较晚的。

 

　　3．水波是横波吗？

 

　　人类认识波动现象，恐怕是从水面波开始的。小到潋潋的涟漪，大至拍岸的惊涛，水面波的丰富多彩，赢得了古往今来多少诗人墨客为之吟诵咏叹。

 

图2

 

　　然而，水波却远比其他常见的绳波、声波等复杂。水面波与声波不同，它不是疏密波。压强并非因密度而变化，而是因表面不平和曲率变化引起的。振动的恢复力不是弹力，而是重力和表面张力。一般情况下，液块的轨迹是圆如图2所示，所以这种波不是纵波，也不是横波，而是二者的综合。而且，由上面第二点“流体不能传播横波”的结论，也可以看出能在水(流体)中传播的水波绝不是简单的横波。

 

　　参考文献：

 

　　[1]赵凯华、罗蔚茵，新概念物理教程力学，高等教育出版社2001．5，314-315

 

　　[2]张德润、董文夫主编，工程力学，机械工业出版社，2006．7