由于填鸭式教育的遗毒,很多国内的教材以及老师的讲课总是不够深入浅出,总是只是告诉你其然,而不帮你分析其所以然,理由大概是:记住知识点就行了,想那么多干嘛呢?考试又不会考! 但实际上呢!也许很多老师自己都没有想过或想通过其所以然的东西,再就是很多学生也确实学习知识就为了成绩只对考点感兴趣你说多了他反而觉得多余、墨迹、烦人。
就拿地球物理行业的地震波来说,纵波P的特点就是在介质中传播时,波的传播方向与质点振动方向一致,横波S的特点就是在介质中传播时,波的传播方向与质点振动方向垂直。但是知道这个程度就足够了吗?对付考试是够了,但对于想了解本质的朋友来说是远远不够的。
第二层分析,对于纵波来说,为什么波的传播方向与振动方向一致呢?首先假想面前有一个纵向均匀布满弹簧线的二维平面,弹簧线上均匀布满一些柔软弹性小球,你把边缘的一根弹簧线水平往外拉伸一下,然后再放手,你会看到每个小球向前动了一下,然后挤压了前方均匀分布的小球的空间,使其压缩在一个小空间内,而被挤压的小球在弹性动力下又会继续向前挤压下一个小球,每个小球其实都没有离开自己的弹性半径,但看起来似乎是有某种东西以波的形式传播出去了,而且挤压的方向与波传播的方向是一致的。从这里可以看出来,纵波其实反映的就是介质的压缩拉伸特性,也就是说纵波只能在具备压缩拉伸特性的介质中传播,而大部分的固体、液体、气体都具有压缩拉伸特性,所以纵波又叫压缩波。
第二层分析,对于横波来说,为什么波的传播方向与振动方向垂直呢?同样首先假想面前有一个纵向均匀布满弹簧线的二维平面,弹簧线上均匀布满一些柔软弹性小球,你把边缘的一根弹簧线垂直向下拉伸一下,然后再放手,你会看到第一排的每个颗粒开始依次上下跳动,同时在切变的影响下带动了第二排的小球,然后依次以波的形式将这种振动传到了最后一排,每个颗粒其实都没有离开自己的弹性半径,但看起来似乎是有某种东西以波的形式传播出去了,而且小球运动的方向与波传播的方向是垂直的。从这里可以看出来,横波其实是和介质的切变弹性特性相关,也就是说横波只能在具备切变弹性特性的介质中传播,所以横波只能在固体中传播,而不能在液体和气体中传播。
第三层分析,科学概念大都是抽象的归纳的模型,而客观世界是复杂的。由于数亿年来地球表层不同区域的搬运作用、沉积作用、风化作用、侵蚀作用、造山运动、火山地震的影响等等的不同,地球的地层介质并不是一个完全理想化的弹性体,而是一个有很多变化的各向异性体,其所对应的拉伸弹性模量(杨氏模量)、剪切弹性模量(刚性模量)、体积弹性模量,都是在变化着的。所以地震波是一个复杂的集合,体波中既包括纵波和横波,同时还有转换波。对,你没听错,转换波!无论纵波还是横波倾斜入射到弹性分界面时,都将同时产生反射横波、反射纵波、透射横波、透射纵波。这又是怎么回事呢?其实只要明白了第一层的分析,这个就好理解了。首先垂直入射是不能产生转换波的,其次只有入射角相当大时,才有足够能量的转换波可被记录下来,然后就是只会在地层分界面上才会产生。这就代表只有有一定入射角时才能使入射波分解为垂直界面的力和切向力两部分,结果就产生了体变和切变及其相应的纵波和横波。
第四层分析,体变和切变所代表的弹力其实本质上是统一的,弹力本质上实际都是电磁力。弹力是由于形变造成的,而物体发生形变时之所以会产生力,是由于物体内部原子或者离子之间的距离发生了变化,而它们之间本来就是有电磁相互作用的,因为它们都是由带负电的电子及正电的原子核组成的,只是在未发生形变时力量是平衡的而已。一但发生了形变,原子之间距离发生了变化,比如压缩导致原子间间距变小,这就使得原子间相斥的电磁力表现了出来,拉伸导致原子间间距变大,这就使得原子间相吸的电磁力表现出来了,从宏观上看,这就是弹力。