高中物理 第2章 機械波 第1節(jié) 波的形成和描述 地震中的縱波和橫波素材 魯科版選修3-4（通用）

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1、地震中的縱波和橫波 我們最熟悉的波動是觀察到水波。當向池塘里扔一塊石頭時水面被擾亂，以石頭入水處為中心有波紋向外擴展。這個波列是水波附近的水的顆粒運動造成的。然而水并沒有朝著水波傳播的方向流；如果水面浮著一個軟木塞，它將上下跳動，但并不會從原來位置移走。這個擾動由水粒的簡單前后運動連續(xù)地傳下去，從一個顆粒把運動傳給更前面的顆粒。這樣，水波攜帶石擊打破的水面的能量向池邊運移并在岸邊激起浪花。地震運動與此相當類似。我們感受到的搖動就是由地震波的能量產生的彈性巖石的震動。 假設一彈性體，如巖石，受到打擊，會產生兩類彈性波從源向外傳播。第一類波的物理特性恰如聲波。聲波，乃至超聲波，都是在空氣里由

2、交替的擠壓(推)和擴張(拉)而傳遞。因為液體、氣體和固體巖石一樣能夠被壓縮，同樣類型的波能在水體如海洋和湖泊及固體地球中穿過。在地震時，這種類型的波從斷裂處以同等速度向所有方向外傳，交替地擠壓和拉張它們穿過的巖石，其顆粒在這些波傳播的方向上向前和向后運動，換句話說，這些顆粒的運動是垂直于波前的。向前和向后的位移量稱為振幅。在地震學中，這種類型的波叫P波，即縱波，它是首先到達的波。 彈性巖石與空氣有所不同，空氣可受壓縮但不能剪切，而彈性物質通過使物體剪切和扭動，可以允許第二類波傳播。地震產生這種第二個到達的波叫S波。在S波通過時，巖石的表現與在P波傳播過程中的表現相當不同。因為S波涉及剪切而不

3、是擠壓，使巖石顆粒的運動橫過運移方向。這些巖石運動可在一垂直向或水平面里，它們與光波的橫向運動相似。P和S波同時存在使地震波列成為具有獨特的性質組合，使之不同于光波或聲波的物理表現。因為液體或氣體內不可能發(fā)生剪切運動，S波不能在它們中傳播。P和S波這種截然不同的性質可被用來探測地球深部流體帶的存在。 S波具有偏振現象，只有那些在某個特定平面里橫向振動(上下、水平等)的那些光波能穿過偏光透鏡。穿過的光波稱之為平面偏振光。太陽光穿過大氣是沒有偏振的，即沒有光波振動的優(yōu)選的橫方向。然而晶體的折射或通過特殊制造的塑料如偏光眼睛，可使非偏振光成為平面偏振光。 當S波穿過地球時，它們遇到構造不連續(xù)界面

4、時會發(fā)生折射或反射，并使其振動方向發(fā)生偏振。當發(fā)生偏振的S波的巖石顆粒僅在水平面中運動時，稱為SH波。當巖石顆粒在含波傳播方向的水質平面里運動時，這種S波稱為SV波。 大多數巖石，如果不強迫它以太大的振幅振動，具有線性彈性，即由于作用力而產生的變形隨作用力線性變化。這種線性彈性表現稱為服從虎克定律，是以與牛頓同時代的英國數學家羅伯特.虎克(1635~1703年)而命名的。相似的，地震時巖石將對增大的力按比例地增加變形。在大多數情況下，變形將保持在線彈性范圍，在搖動結束時巖石將回到原來位置。然而在地震事件中有時發(fā)生重要的例外表現，例如當強搖動發(fā)生于軟土壤時，會殘留永久的變形，波動變形后并不總能

5、使土壤回到原位，在這種情況下，地震烈度較難預測。 彈性的運動提供了極好的啟示，說明當地震波通過巖石時能量是如何變化的。與彈簧壓縮或伸張有關的能量為彈性勢，與彈簧部件運動有關的能量是動能。任何時間的總能量都是彈性能量和運動能量二者之和。對于理想的彈性介質來說，總能量是一個常數。在最大波幅的位置，能量全部為彈性勢能；當彈簧振蕩到中間平衡位置時，能量全部為動能。我們曾假定沒有摩擦或耗散力存在，所以一旦往復彈性振動開始，它將以同樣幅度持續(xù)下去。這當然是一個理想的情況。在地震時，運動的巖石間的摩擦逐漸生熱而耗散一些波動的能量，除非有新的能源加進來，像振動的彈簧一樣，地球的震動將逐漸停息。對地震波能量耗散的測量提供了地球內部非彈性特性的重要信息，然而除摩擦耗散之外，地震震動隨傳播距離增加而逐漸減弱現象的形成還有其他因素。 由于聲波傳播時其波前面為一擴張的球面，攜帶的聲音隨著距離增加而減弱。與池塘外擴的水波相似，我們觀察到水波的高度或振幅，向外也逐漸減小。波幅減小是因為初始能量傳播越來越廣而產生衰減，這叫幾何擴散。這種類型的擴散也使通過地球巖石的地震波減弱。除非有特殊情況，否則地震波從震源向外傳播得越遠，它們的能量就衰減得越多。