在牛顿创立动力学之前,早已产生了静力学,静力学中有一个重要的定律,即胡克定律:f=-kx,即作用在弹性物体上的力与其形变量成正比。但我们有了动力学的知识后(如:a=F/m或s=at2/2),我们就会发现胡克定律并非一个广泛的真理。因为胡克定律与牛顿定律正好相反,它是建立在完全弹性模型之上的,牛顿运动定律是建立在完全刚性模型(即完全惯性模型)之上的,而宇宙中不存在只有弹性而无惯性的物质,包括电场和磁场。
胡克定律:f=-kx中,f(力)与x(形变)并非瞬时对应关系。当然经典物理也不认为它们是瞬时对应关系,并且把该定律归为静力学之下,这正是经典物理可以正确解释机械波的原因。我们举个例子:我们的手用一个周期性变化较慢的力作用在一个弹簧上时,我们会发现,当手上的力最大时,弹簧的形变量最大,当手上的力为零时,弹簧的形变量为零,于是我们可以得到如下图象:
力与时间图 形变量与时间图 手的速度与时间图 手的功率与时间图
我们的结论是:手的平均功率为零,无论手如何努力,也不会创造出机械波。但我们必须明白,我们使用的完全弹性模型,没有考虑弹簧的惯性。
我们再举个例子:我们的手用一个频率很大的力作用在同一弹簧上,我们发现,当手上的力最大时,弹簧的形变量却是零(即手的作用点位于弹簧不受力时的位置上),当手上的力最小时,弹簧的形变量却最大,我们发现弹簧这时只有惯性而无弹性,胡克定律完全不适用了。于是我们得到如下图象:
力与时间图 形变量与时间图 手的速度与时间图 手的功率与时间图
我们的结论是:手的平均功率为最大功率时的一半,机械波产生了!
我们研究机械波时不能使用胡克定律,而只能使用牛顿运动定律及微积分,我们以绳波为例来证明,我们仍用手来提供外部策动力,如下图:为一波形图,从波
源O到第一个波峰或波谷A处,这段绳中所有质点的加速度都是由手上的力提供的,为什么仅仅是这部分质点呢?原因是绳子中A处的张力为零或至少在与波速垂直的方向上即所有质点加速度的方向上的张力为零。又因为这些质点的加速度的大小与该质点离开平衡位置的距离成正比,因此手上的力就应与下图所示阴影部分的面积成正比。从图象上我们可以看出,1图的面积最大,3图的面积为零,可见手在平衡位置处时(或速度最大时)受到的阻力最大,手在最大位移处时(或速度为零时)受到的阻力为零。该结论同样适用于电磁波,并将对电磁波的研究具有重大的指导意义。