电磁波是谁预言谁证实的,电磁波是谁预言的是谁证实的

首页 > 教育 > 作者:YD1662024-06-12 22:58:05

波的函数f(x,t)不就是描述绳子上某一点在不同时间t的位置么?

那我们对f(x,t)求两次关于时间的导数,自然就得到了这点的加速度a。因为函数f是关于x和t两个变量的函数,所以我们只能对时间的偏导∂f/ ∂t,再求一次偏导数就加个2上去。

于是我们就可以这样表示这点的加速度a=∂²f/ ∂t²(关于偏导数的介绍,微分篇里有详细叙述,这里不再说明)。

这样,我们就把牛顿第二定律F=ma的三要素都凑齐了:F= T·sin(θ Δθ)-T·sinθ,m=μ·Δx,a=∂²f/ ∂t²。

把它们集合在一起就可以召唤神,阿不,就可以写出AB的运动方程了:

电磁波是谁预言谁证实的,电磁波是谁预言的是谁证实的(9)

这个用牛顿第二定律写出来的波动方程,看起来怎么样?

嗯,似乎有点丑,看起来也不太清晰,方程左边的东西看着太麻烦了,我们还需要对它进行一番改造。那怎么改造呢?

我们可以先把sinθ给干掉。

07方程的改造

为了能够顺利地干掉sinθ,我们先来回顾一下基本的三角函数:

电磁波是谁预言谁证实的,电磁波是谁预言的是谁证实的(10)

如上图,右边是一个直角三角形abc,那么角θ的正弦值sinθ等于对边c除以斜边a,正切值tanθ等于对边c除以邻边b。

当这个角度θ还很大的时候,a比b要明显长一些。但是,一旦角度θ非常非常小,可以想象,邻边b和斜边a就快要重合了。

这时候我们是可以近似的认为a和b是相等的,也就是a≈b,于是就有c/b≈c/a,即tanθ≈sinθ。

也就是说,在角度θ很小的时候,我们可以用正切值tanθ代替正弦值sinθ。

我们假设这根绳子的扰动非常小,形变非常小,那么θ和θ Δθ就都非常小,那么它们的正弦值就都可以用正切值代替。

于是,那个波动方程左边的sin(θ Δθ)-sinθ就可以替换为:tan(θ Δθ)-tanθ。

为什么我们要用正切值tanθ代替正弦值sinθ呢?

因为正切值tanθ还可以代表一条直线的斜率,代表曲线在某一点的导数。

想想正切值的表达式tanθ=c/b,如果建一个坐标系,那么这个c刚好就是直线在y轴的投影dy,b就是在x轴的投影dx,它们的比值刚好就是导数dy/dx,也就是说tanθ=dy/dx。

然而,因为波的函数f(x,t)是关于x和t的二元函数,所以我们只能求某一点的偏导数,那么正切值就等于它在这个点的偏导数:tanθ=∂f/ ∂x。

那么,原来的波动方程就可以写成这样:

电磁波是谁预言谁证实的,电磁波是谁预言的是谁证实的(11)

这里我稍微解释一下偏导数的符号,我们用∂f/ ∂x表示函数f(x,t)的偏导数,这是一个函数,x可以取各种各样的值。

但是如果我加一个竖线|,然后在竖线的右下角标上x Δx就表示我要求在x Δx这个地方的导数。

再来看一下这个图,我们已经约定了A点的横坐标为x,对应的角度为θ;B点的横坐标是x Δx,对应的角度为θ Δθ。

所以,我们可以用x Δx和x这两处的偏导数值代替θ Δθ和θ这两处的正切值tan(θ Δθ)和tanθ,所以波动方程才可以写成上面那样:

接着,如果我们再对方程的两边同时除以Δx,那左边就变成了函数∂f/ ∂x在x Δx和x这两处的值的差除以Δx,这其实就是∂f/ ∂x这个函数的导数表达式。

也就是说,两边同时除以一个Δx之后,左边就变成了偏导数∂f/ ∂x对x再求一次导数,那就是f(x,t)对x求二阶偏导数了。

上面我们用我们已经用∂²f/ ∂t²来表示函数对t的二阶偏导数,那么这里自然就可以用∂²f/ ∂x²来表示函数对x的二阶偏导数。

然后两边再同时除以T,得到方程就简洁多了:

电磁波是谁预言谁证实的,电磁波是谁预言的是谁证实的(12)

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