孤波演示实验

背景介绍

孤波的发现

1834年,英国科学家、造船工程师约翰·罗素观察到一只运行的木船船头挤出一堆水来;当船突然停下时,这堆水竟保持着它原来的形状,以每小时大约13千米的速度往前传播。10年后,他发表了一篇题为《论水波》的论文,描述了这个现象,把这团奇特的运动着的水堆称为“伟大的孤立波” 。这绝不是普通的水波。因为普通的水波是由水面的振动形成的,水波的一半高于水面,一半低于水面,而且在扩展一小段距离后即行消失;而他所看到的这个水团,却具有光滑规整的形状,完全在水面上移动,衰减得也很缓慢。他意识到这是流体力学中某方程的稳定解,然而受限于当时数学水平和计算机技术的限制,罗素期待“未来的数学家”完成这项工作。

孤波的研究

“未来的数学家”发现,孤波是非线性色散方程的一个解,称为孤立子解。其特点是可以把能量集中,并较为稳定地传播。1965年,美国科学家扎布斯基和克鲁斯卡尔等在电子计算机做数值试验后意外地发现,以不同速度运动的两个孤波在相互碰撞后,仍然保持各自原有的能量、动量的集中形态,其波形和速度具有极大的稳定性,就像弹性粒子的碰撞过程一样,所以完全可以把孤波当作刚性粒子看待。1965年以后,人们进一步发现,除水波外,其它一些物质中也会出现孤波。在固体物理、等离子体物理、光学实验中,都发现了孤立子(或称孤子)。由孤立子理论发展起来的光纤孤立子通讯技术,克服了通讯中信号损耗的问题,前景不可估量。 1984年1月,南京大学访美学者吴君汝等人,在浅水槽发现了另一类孤立波,成为非传播表面孤立波,接着Larraza和Putterman提出了理论解释。 吴君汝等人实验观测到的波形用下式表示: 𝑦=2.1 sech⁡(𝑥/1.12)𝐶𝑚

实验装置

孤波发生器可以产生孤波,其产生的孤波可以归类于“非传播流体力学孤子”,这一词是Putterman用来描述水槽(一矩形波导)里局限脉冲的现象。可在沿着水槽的纵向和横向来回溅拨后出现保持不变的孤子,这个孤子完全不同于其他的传播孤子。“非传播流体力学孤子”能稳定在一定的驱动频率和振幅范围里。 1、信号发生器 2、振动台(垂直正弦振动) 3、水槽(长26.5cm)

实验原理

实验现象

 
course/demo/projects/2018/soliton_wave_demonstration.txt · 最后更改: 2018/05/18 15:02 由 xuyihao
 
除额外注明的地方外,本维基上的内容按下列许可协议发布:CC Attribution-Noncommercial-Share Alike 3.0 Unported
Recent changes RSS feed Donate Powered by PHP Valid XHTML 1.0 Valid CSS Driven by DokuWiki