光的傳播速度與光源運動狀態無關,那水波和聲波呢?有什麼規律?

2020-12-03 宇宙新思維

光是一種電磁波,光的傳播速度的確不受光源移動速度變化而變化,愛因斯坦狹義相對論的「光速不變原理」對此說得非常清楚:光在真空中的傳播速度相對於任何參考系是不變的,與光源和觀察者的運動狀態無關。無論光源是相對於地面靜止,還是運動,光對於地面觀察者的速度是不變的,在這一點上,水波和聲波又如何呢?

我們知道聲波和水波的傳播是需要介質的,我們常說的聲速和音速大小就是相對於介質或靜止於介質的觀察者而言的,因此無論介質的運動狀態如何,聲速或音速相對於給定的介質是不變的。根據力學相對性原理,我們坐在高速飛行的飛機裡說話,聲音的傳播給我們的感覺與在靜止的地面是一樣的,

因為飛機裡的空氣――傳播聲音的介質被飛機載著一起運動。聲音的傳播速度相對於飛機裡的空氣介質和觀察者仍然是1馬赫(當然對於地面的觀察者肯定是大於1馬赫,因為觀察者的運動狀態發生了變化。)。由上可知,要想知道水波和聲波的傳播速度與振動源的運動狀態是否有關,我們只要看振動源和介質的相對運動狀態即可,如果振動源總是和介質相對靜止,則水波和聲波的傳播速度與振動源的運動狀態無關;如果振動源和介質有相對運動,則水波和聲波的傳播速度與振動源的運動狀態有關。通過分析可知,振動源不總是和介質相對靜止。下面分幾種情況討論。

一,如果振動源只發出單列點波,這時聲波和水波的傳播速度與振動源(體)的運動狀態無關

單列聲波和水波的傳播速度與振動源(聲源和水波源)體的運動狀態無關。

水中的魚在遊走過程中不斷產生水波,儘管產生水波的魚在移動,但魚每次產生的水波――單列波依舊在原來的水波中心向遠處傳播,它的傳播速度不變;我們都知道空谷回音,聲源發出聲音後,這塊振動的空氣(聲波)――單列波就與聲源體無關了,它不斷向周圍傳播,碰到峭壁又反彈回來形成回音,這時發出聲音的人或物或許早已不在,這說明單列聲波的傳播速度與聲源的運動狀態無關。這種情況實際上就是當發出點波時的振動源與介質是相對靜止的。

二,如果振動源相對介質運動,則聲波和水波的傳播速度與振動源(體)的運動狀態有關。

比如人們常說的多譜勒效應就是這種情況,所謂多譜勒效應是指當聲音,光和無線電波等振動源與觀測者以相對速度V相對運動時,觀測者所收到的振動頻率與振動源所發出的頻率有所不同的現象。比如一列向我們飛馳而來的火車發出的聲音比離開我們時要尖(音頻率高)得多。

這當然是因為聲源相對傳播聲音的空氣介質(當然包括我們)一直在運動,導致我們接收到的音頻發生變化。 都卜勒效應就是接收頻率的變化效果,而非振動源頻率發生變化。火車發出的聲音音調對於火車自身來說是不變的,聲音的傳播速度也是不變的,而對於火車外的事物,包括傳播聲音的空氣介質和相對地面靜止的觀察者都是變的。都卜勒效應雖然說的是頻率的變化,並未特指傳播速度,但事實上只有光的傳播速度(波長和頻率的積)是不變的,聲波和水波的傳播速度都是變得,因而都卜勒效應引起的頻率變化導致傳播速度變化,這裡聲波的傳播速度與振動源的運動狀態有關,隨著振動源的移動速度變化而變化,實質原因當然是振動源相對傳播介質是運動變化的。

三,另外,和光的傳播不同的是:聲波和水波的傳播速度還與觀察者的運動狀態有關,它們的相對速度是簡單的疊加。

比如聲音在空氣中的傳播速度是343米/秒(1馬赫),一個觀察者坐在飛機上以速度V向著聲源飛行(與聲波傳播方向相反),那聲音的速度相對這個觀察者來說要大於1馬赫,即1馬赫+V;而飛機如果與聲波傳播方向相同,那聲音的速度相對這個觀察者來說要小於1馬赫,即1馬赫-V,這如果是個超音速飛機,那這個觀察者將不會聽到後方的聲音,甚至也聽不到飛機自身發出的聲音,在超音速突破音障時會產生音爆,

這時聲音相對觀察者的速度接近0。

當然之所以聲波和水波的傳播速度與觀察者的運動狀態有關,說到底還是因為觀察者與傳播介質有相對運動。

光與時空深層次的聯繫決定了光速不變原理,決定了光波的傳播規律與聲波、水波傳播規律的相似和不同。

水波和聲波的傳播需要介質,而光波不需要介質,但光的傳播離不開空間,跑不出宇宙時空,時空是光運動的背景和場所,時空當然是具有實在性的物質,因此從這個意義上,可以把時空看作是光傳播的「介質」,這樣一來,光波和水波、聲波一樣,它們的傳播實質上都與介質有關。光波之所以不像水波和聲波那樣與觀察者的運動狀態有關,之所以不與任何形式光源(包括點光源和連續光源)的運動狀態有關,就是因為它的「介質」是時空,而不是別的什麼。光與時空相對性的內在聯繫才決定了它速度相對任何參照物的不變。而水波和聲波的介質沒有這個「特權地位」。

相關焦點

  • 光的傳播速度與光源運動狀態無關,是否聲波、水波也是如此?
    無論光源是相對於地面靜止,還是運動,光對於地面觀察者的速度是不變的,在這一點上,水波和聲波又如何呢?聲音的傳播速度相對於飛機裡的空氣介質和觀察者仍然是1馬赫(當然對於地面的觀察者肯定是大於1馬赫,因為觀察者的運動狀態發生了變化)。由上可知,要想知道水波和聲波的傳播速度與振動源的運動狀態是否有關,我們只要看振動源和介質的相對運動狀態即可,如果振動源總是和介質相對靜止,則水波和聲波的傳播速度與振動源的運動狀態無關;如果振動源和介質有相對運動,則水波和聲波的傳播速度與振動源的運動狀態有關。
  • 從聲波運動規律研討電磁波的運動規律
    雖然人造飛行器可以數倍聲速飛行,但其產生的聲波仍只能以每秒300多米的速度在空氣中傳遞。而當人們在其他相對與空氣有一定運動速度的運動物體中觀測聲波時,其運動速度則符合經典物理學的速度疊加原理。因此,我們可以類比聲波在空氣中的傳遞規律對電磁波的運動規律作如下假設:1、電磁波是由於電子相對於原子核的運動狀態的改變而導致原子外部電磁場的變化所形成的一類波(也就是說:在電子相對於原子核的運動狀態不變時,不產生電磁波)。
  • 如果我們以光的速度去追光,能抓住一把光嗎?
    愛因斯坦小的時候,曾經幻想過,以光的速度去追光,會不會看到光是靜止的?如果光是靜止的,那是不是伸手就可以抓住一把光呢?那麼光速不變有什麼實驗可以證明嗎?這個科學家們確實做過了不少實驗。最早的時候人們都認為光的速度是無限的,因為從來沒有人感覺到或觀察到過光的速度有什麼延遲性。但是後來有人們開始意識到光應該是有限的,光也和其他運動的物體一樣有固定的速度。為了證實光的速度是有限的,科學家們就想出來各種各樣的測量光速的方法。
  • 在知乎回答:開著手電筒跑步能否使光傳播速度超過真空光速?
    先回答問題:首先要明確一下這裡的光傳播速度是指什麼?是指光相對於什麼的速度呢?一般來說,一種波的傳播速度,是指這種波相對於均勻介質的速度。例如說聲波的傳播速度,在地面空氣中是多少,在水中是多少,在酒精中是多少等,都是這樣理解的。
  • 實驗證實:光不是矢量傳播而是介質傳播
    我之所以把磁場波(光)與水波類比,是因為微觀世界的磁場與宏觀世界的海洋特別相似,都能夠被粒子或物體運動激發擾動形成波,前者有微觀粒子運動激發的波稱著磁場波或光,後者被宏觀物體運動激發的波稱著水波或波浪。
  • 為什麼光的傳播不需要介質?
    聲音的傳播需要介質,比如空氣、水和鐵。但光的傳播不需要介質,它們可以在真空中傳播。那麼,聲音和光有什麼區別呢?為什麼聲音不能在真空中傳播,而光卻可以呢?聲波聲音其實屬於機械波,其本質是機械振動的傳播,而機械振動依賴於介質。當物體發生振動時,比如敲打桌子,這種振動會帶動空氣中的分子出現有規律的振動,由此聲波會在空氣中傳播開來。如果沒有介質,振動就無法傳播,所以聲音不能在真空中傳播。
  • 為什麼光可以在真空中傳播,而聲音不能?
    但光的傳播不需要介質,它們可以在真空中傳播。那麼,聲音和光有什麼區別呢?為什麼聲音不能在真空中傳播,而光卻可以呢? 聲波 聲音其實屬於機械波,其本質是機械振動的傳播,而機械振動依賴於介質。當物體發生振動時,比如敲打桌子,這種振動會帶動空氣中的分子出現有規律的振動,由此聲波會在空氣中傳播開來。
  • 光速不是光子運動的速度
    光波、電波與聲波、水波一樣,都是波。波有一個共同的特性,即:它們雖然都是由粒子構成(光波的成份是光子,電波的成份是電子,水波的成份是水分子,聲波的成份是氣體分子。)但是,它們傳播時,本身並不像子彈那樣,從甲地迅速轉移到乙地,而是通過自己的振動,將能量迅速傳遞給旁邊的粒子,旁邊的粒子再振動,迅速將能量傳遞給旁邊的粒子……,這樣依次傳遞,以至傳到遠方,直到能量消耗為止。
  • 光是什麼?該怎麼定義呢?
    什麼是光?憑藉我多年的積累和孜孜不倦的鑽研,我很負責的說:我不知道。就這麼任性!然而有比我還任性的,《聖經》上說:「上帝說,要有光於是就有了光。」如果光真是任性的上帝發明的,那麼他老人也給人類發現其中奧秘留下了破綻——晝夜交替。雖然我不知道人類研究光從什麼時候開始,但是我堅信人類肯定從晚上看不見東西開始產生疑惑的。
  • 光的傳播真的不需要介質嗎?以太真的不存在嗎?
    無論是通過一種介質,如機械波,還是在真空中,如電磁波和引力波,每一個傳播的波紋都有一個傳播速度。在任何情況下,傳播速度都不是無限的,理論上,重力波傳播的速度應該與光速相同。在科學的早期——在牛頓之前,數百甚至數千年前——我們只能對大規模、宏觀的現象進行調查。
  • 宇宙位面論(下)——光的越位面傳播
    對於光的概念,很難劃清其屬性,從傳播方式及存在方式上看,比如愛因斯坦理論中確定的,光永遠是直線傳播的,就算通過大引力星球附近會產生扭曲也只是因為傳播通道是扭曲的,與光無關,這證明了光的存在是不受引力作用的,也就是說光不在萬有引力的範疇之內,也說明了光是沒有質量的,因此,從這個方面上看來光應該是屬於能量範疇的存在;但從某些方面上看,它又具備有物質的特性,比如光具有的粒子性,太陽帆的發明正是基於光子的撞擊效應
  • 聲音的都卜勒效應是由於速度差,那光的都卜勒效應又是由於什麼?
    那既然都具有波動性,那麼波所擁有的特點二者都應該有。我們經常會聽到疾馳而來的火車音調變高、或者勻速遠離時音調變低,這就是我們所說的都卜勒效應,那麼既然聲波具有都卜勒效應,那麼光波呢?首先給出確定答案:光的都卜勒效應是存在的!就是紅移與藍移現象!
  • 光的傳播速度那麼快,它的動力源是什麼?
    光的傳播速度那麼快,它的動力源是什麼?既然問到了這個問題,前提得需要知道光是什麼?光是一種電磁波,這是從波動性來看它的,如果從粒子性來看它的話,光是由光子組成的。但是無論從哪個角度看,光的傳播速度都只能是光速,且無需加速過程,出生就是光速。如果問,為什麼可以這麼去保證它,沒辦法,這是理論要求的。
  • 傳播介質「以太」是否存在!試驗結果非常的意外!
    根據科學家對波的研究,任何振動產生的波都需要在介質中傳播,比如聲波、水波。在19世紀,光被證明是一種波,那麼光的傳播介質是什麼呢?——「以太」被人們所提出。任何事物都是相互的,我們要理解光的性質,就必須理解其介質的性質,同樣的當我們知道光的性質的時候,又可以推導出以太應該有什麼樣的性質。據研究表明,波的傳速度與其介質的彈性和質量有關,如果以光波的速度來計算,結果是驚人的,以太的密度至少要比空氣少100萬倍,而彈性又要比空氣大1000倍,比鋼還硬。
  • 為什麼沒有任何飛行器的速度能夠超過光速?
    光在真空中的速度是最快的,且在任何慣性參考系中的速度是不變的,跟光源是否運動、觀察者是否運動無關。愛因斯坦把這個結論上升為一個原理――光速不變原理,創立了相對論,這個原理是相對論的基石。那為什麼宇宙中光速最快?一,首先是因為光子的靜質量為零。
  • 轉動光源是否能讓光斑移動速度超過光速?真的存在超光速嗎?
    世界上存在超光速的現象,但傳遞不了任何物質、能量和信息。比如有黑白兩個球,開始都位於位於某點A,然後以相同速度朝著相反方向運動,運動t時間後被距離A點相同距離的BC兩個人接收到,B在拿到某個球的瞬間肯定就能判斷出來C拿到的是另外一個顏色的球,但是這又能怎麼樣呢?
  • 如果光源到達光速,它能否被看到?
    飛機在大氣中飛行時,如果速度快於自身引發空氣波動的速度,即突破音障礙,將會出現音爆現象。然而,光源不可能追上自身發射出的光,更不可能超越,所以不會有什麼「光爆現象」。但可以肯定的是,無論光源速度有多快,它都能被觀測到。光速和音速完全是不同的概念,兩者沒有可比性。
  • 光是什麼,無數學者和科學家都在思考的一個「奇怪」的問題!
    「上帝」說:要有光明!所以有了光,地球就有了光,世界就充滿了無限的歡樂。但是全能的上帝留給我們一個非常困惑的問題:光是什麼?幾千年來,無數的學者和哲學家一直在思考這個問題。這個問題的答案幾乎包括了人類歷史上最聰明的智慧。古希臘人喜歡討論問題,對光很好奇。畢達哥拉斯首先解釋說,光是一種光源周圍發射的東西,當遇到障礙物時會被反彈。
  • 引力紅移是什麼?很簡單,宇宙大爆炸後的膨脹速率是靠紅移測量的
    頻率低的聲波,音調低,聽起來就會沉悶。當警車靠近我們時,聲波的頻率就會升高,遠離時頻率就會降低。但很多人並不知道其中的緣由。其實振動源原地不動時,聲波就會像水波一樣傳遞開來,如果振動源沿著聲波的x方向運動,那麼x方向的聲波就會臃腫起來,導致聲波之間的波峰挨得更近,其波長降低,頻率增加。