高中物理 第2章 機(jī)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(dòng)是觀察到水波。當(dāng)向池塘里扔一塊石頭時(shí)水面被擾亂，以石頭入水處為中心有波紋向外擴(kuò)展。這個(gè)波列是水波附近的水的顆粒運(yùn)動(dòng)造成的。然而水并沒(méi)有朝著水波傳播的方向流；如果水面浮著一個(gè)軟木塞，它將上下跳動(dòng)，但并不會(huì)從原來(lái)位置移走。這個(gè)擾動(dòng)由水粒的簡(jiǎn)單前后運(yùn)動(dòng)連續(xù)地傳下去，從一個(gè)顆粒把運(yùn)動(dòng)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(yùn)移并在岸邊激起浪花。地震運(yùn)動(dòng)與此相當(dāng)類似。我們感受到的搖動(dòng)就是由地震波的能量產(chǎn)生的彈性巖石的震動(dòng)。 假設(shè)一彈性體，如巖石，受到打擊，會(huì)產(chǎn)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(kuò)張(拉)而傳遞。因?yàn)橐后w、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(guò)。在地震時(shí)，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?cái)D壓和拉張它們穿過(guò)的巖石，其顆粒在這些波傳播的方向上向前和向后運(yùn)動(dòng)，換句話說(shuō)，這些顆粒的運(yùn)動(dòng)是垂直于波前的。向前和向后的位移量稱為振幅。在地震學(xué)中，這種類型的波叫P波，即縱波，它是首先到達(dá)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(zhì)通過(guò)使物體剪切和扭動(dòng)，可以允許第二類波傳播。地震產(chǎn)生這種第二個(gè)到達(dá)的波叫S波。在S波通過(guò)時(shí)，巖石的表現(xiàn)與在P波傳播過(guò)程中的表現(xiàn)相當(dāng)不同。因?yàn)镾波涉及剪切而不

3、是擠壓，使巖石顆粒的運(yùn)動(dòng)橫過(guò)運(yùn)移方向。這些巖石運(yùn)動(dòng)可在一垂直向或水平面里，它們與光波的橫向運(yùn)動(dòng)相似。P和S波同時(shí)存在使地震波列成為具有獨(dú)特的性質(zhì)組合，使之不同于光波或聲波的物理表現(xiàn)。因?yàn)橐后w或氣體內(nèi)不可能發(fā)生剪切運(yùn)動(dòng)，S波不能在它們中傳播。P和S波這種截然不同的性質(zhì)可被用來(lái)探測(cè)地球深部流體帶的存在。 S波具有偏振現(xiàn)象，只有那些在某個(gè)特定平面里橫向振動(dòng)(上下、水平等)的那些光波能穿過(guò)偏光透鏡。穿過(guò)的光波稱之為平面偏振光。太陽(yáng)光穿過(guò)大氣是沒(méi)有偏振的，即沒(méi)有光波振動(dòng)的優(yōu)選的橫方向。然而晶體的折射或通過(guò)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(dāng)S波穿過(guò)地球時(shí)，它們遇到構(gòu)造不連續(xù)界面

4、時(shí)會(huì)發(fā)生折射或反射，并使其振動(dòng)方向發(fā)生偏振。當(dāng)發(fā)生偏振的S波的巖石顆粒僅在水平面中運(yùn)動(dòng)時(shí)，稱為SH波。當(dāng)巖石顆粒在含波傳播方向的水質(zhì)平面里運(yùn)動(dòng)時(shí)，這種S波稱為SV波。 大多數(shù)巖石，如果不強(qiáng)迫它以太大的振幅振動(dòng)，具有線性彈性，即由于作用力而產(chǎn)生的變形隨作用力線性變化。這種線性彈性表現(xiàn)稱為服從虎克定律，是以與牛頓同時(shí)代的英國(guó)數(shù)學(xué)家羅伯特.虎克(1635~1703年)而命名的。相似的，地震時(shí)巖石將對(duì)增大的力按比例地增加變形。在大多數(shù)情況下，變形將保持在線彈性范圍，在搖動(dòng)結(jié)束時(shí)巖石將回到原來(lái)位置。然而在地震事件中有時(shí)發(fā)生重要的例外表現(xiàn)，例如當(dāng)強(qiáng)搖動(dòng)發(fā)生于軟土壤時(shí)，會(huì)殘留永久的變形，波動(dòng)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(yù)測(cè)。 彈性的運(yùn)動(dòng)提供了極好的啟示，說(shuō)明當(dāng)?shù)卣鸩ㄍㄟ^(guò)巖石時(shí)能量是如何變化的。與彈簧壓縮或伸張有關(guān)的能量為彈性勢(shì)，與彈簧部件運(yùn)動(dòng)有關(guān)的能量是動(dòng)能。任何時(shí)間的總能量都是彈性能量和運(yùn)動(dòng)能量二者之和。對(duì)于理想的彈性介質(zhì)來(lái)說(shuō)，總能量是一個(gè)常數(shù)。在最大波幅的位置，能量全部為彈性勢(shì)能；當(dāng)彈簧振蕩到中間平衡位置時(shí)，能量全部為動(dòng)能。我們?cè)俣](méi)有摩擦或耗散力存在，所以一旦往復(fù)彈性振動(dòng)開(kāi)始，它將以同樣幅度持續(xù)下去。這當(dāng)然是一個(gè)理想的情況。在地震時(shí)，運(yùn)動(dòng)的巖石間的摩擦逐漸生熱而耗散一些波動(dòng)的能量，除非有新的能源加進(jìn)來(lái)，像振動(dòng)的彈簧一樣，地球的震動(dòng)將逐漸停息。對(duì)地震波能量耗散的測(cè)量提供了地球內(nèi)部非彈性特性的重要信息，然而除摩擦耗散之外，地震震動(dòng)隨傳播距離增加而逐漸減弱現(xiàn)象的形成還有其他因素。 由于聲波傳播時(shí)其波前面為一擴(kuò)張的球面，攜帶的聲音隨著距離增加而減弱。與池塘外擴(kuò)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?yàn)槌跏寄芰總鞑ピ絹?lái)越廣而產(chǎn)生衰減，這叫幾何擴(kuò)散。這種類型的擴(kuò)散也使通過(guò)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(yuǎn)，它們的能量就衰減得越多。