Распространение колебаний в среде. Волны
На прошлых уроках мы познакомились с колебательным движением, видами колебаний и их характеристиками. Все это время мы рассматривали колебания в узкой области пространства — только саму колебательную систему. Теперь мы посмотрим на этот процесс шире. Дело в том, что колебания могут распространяться в среде.
Например, вспомните, как выглядит некошеное поле в ветренную погоду. Стебли растений прогибаются и наклоняются один за одним. Создается впечатление, как будто по полю что-то катится — проходит волна.
На данном уроке мы рассмотрим примеры, дадим определение волнам, познакомимся с их видами и характеристиками.
Примеры распространения колебаний
Самым простым и буквальным примером волн в физике можно назвать обычные волны, которые мы видим на воде. Рябь на поверхности спокойной реки или озера тоже представляет собой механические волны.
Если мы бросим в спокойную воду камень, то по воде начнут кругами расходиться волны (рисунок 1).
Наше сердце, сокращаясь, совершает колебательное движение. Колебания распространяются, и в итоге мы можем почувствовать пульс на запястье (рисунок 2).
Чтобы дать определение волнам, далее мы с вами рассмотрим несколько простых опытов, в которых будут наглядно видны сами колебания и их распространение.
Упругая среда
Перед рассмотрением опытов мы должны сказать о том, что механические колебания распространяются только в упругих средах.
Упругая среда — это среда, частицы которой связаны между собой силами упругости.
На самом деле газы, жидкости и твердые тела (в том числе и эластичные) будут являться упругими средами. А вот вакуум уже не является упругой средой. Следовательно, в вакууме колебания распространяться не будут.
Если мы соберем из шариков и пружин колебательную систему, представленную на рисунке 3, то получим простейшую одномерную модель упругой среды.
Если мы выведем из положения равновесия крайний шарик, то увидим, что постепенно начнет колебаться второй, затем третий и т. д. Подобным образом и происходит распространение колебаний. Вместо шариков мы можем представить частицы, молекулы или слои вещества, а вместо пружин — силы, которыми они друг с другом связаны.
Колебания, возбужденные в какой-либо точке упругой среды, с течением времени передаются в другие точки.
Опыты на распространение колебаний
Опыт № 1
Рассмотрим первый опыт. Возьмем длинную упругую пружину и подвесим ее на нитях. Ударим рукой по ее левому концу (рисунок 4). Вследствие удара несколько ближних к концу витков пружины сближаются. В этот момент возникает сила упругости. Она стремится вернуть витки в изначальное состояние, они начинают расходиться.
Витки проходят положение равновесия и расходятся еще дальше. В итоге теперь на месте первоначально сжатых ударом витков образуется разрежение (рисунок 5). А сжатие сдвинулось правее.
Если мы будем ритмично ударять по концу пружины, то на левом конце пружины витки будут то сближаться, то отдаляться друг от друга. Эти колебания будут передаваться от витка к витку вдоль всей пружины. В итоге мы увидим, что по пружине будут распространяться сгущения и разрежения витков (рисунок 6).
Мы говорим, что от левого конца пружины к правому распространяется возмущение.
Возмущение — это изменение некоторых физических величин, характеризующих состояние среды.
В нашем случае этими физическими величинами являются сила упругости в пружине, ускорение и скорость движения витков, их смещение от положения равновесия.
Опыт № 2
Перейдем к следующему опыту. Возьмем небольшой сосуд и наполним его обычной водой. Поместим на ее поверхность легкий поплавок. Теперь отклоним его в сторону или просто нажмем на него и отпустим, чтобы он начал колебаться (рисунок 7).
Мы увидим, что от поплавка по воде расходятся круги — волны.
Дело в том, что поплавок, совершая колебания, воздействует на ближайшие к нему частицы воды, в которой находится. Частицы начинают совершать вынужденные колебания. Происходит деформация среды вокруг поплавка — в ней возникают упругие силы. Идет возмущение — эти силы по цепочке начинают возникать между последующими частицами.
То есть частицы, которые прилегают вплотную к поплавку, будут повторять его движение — совершать колебания. Эти частицы взаимодействуют с другими частицами, они тоже начинают колебаться, но с некоторым запаздыванием. Таким образом колебания будут распространяться в воде по всем направлениям.
Волны
Теперь мы можем дать общее определение волнам как физическому явлению.
Волны — это возмущения, распространяющиеся в пространстве, удаляясь от места их возникновения.
Бегущие волны
Волны бывают стоячими и бегущими. В курсе физики 9 класса мы рассматриваем только бегущие волны. Основное их свойство заключается в том, что они переносят энергию, распространяясь в пространстве.
Вернемся к опыту с пружиной (рисунок 8). Витки, которые колеблются, обладают некоторой энергией. Они взаимодействуют с соседними витками. При этом они передают им часть своей энергии. Так вдоль пружины распространяется механическое возмущение — деформация. Образуется бегущая волна.
При этом каждый виток колеблется только около своего положения равновесия, а вся пружина остается на месте. Это означает, что переноса вещества мы не наблюдаем.
Можно подтвердить перенос энергии и другим примером (рисунок 9). Возьмем сосуд с водой и поместим на ее поверхность поплавок. Потом рядом с первым аккуратно поместим второй поплавок. Поплавки не двигаются.
Подтолкнем первый поплавок, чтобы он начал колебаться. От него по воде расходятся круги — бегущая волна. Когда они достигают второго поплавка, он тоже начинает колебаться. От волны он получил какую-то энергию. При этом сам он остается на месте. Это означает, что ни частицы воды не переносятся волной, ни сам поплавок. То есть — нет переноса вещества.
Бегущие волны — это возмущения, при распространении в пространстве которых происходит перенос энергии без переноса вещества.
Упругие волны
Также сейчас мы будем рассматривать только упругие бегущие волны.
Упругие волны — это механические возмущения, распространяющиеся в упругой среде.
Образование упругих волн обусловлено возникновением в среде упругих сил, которые вызвала деформация. Например, если по металлической пластине мы ударим молотком, она начнет вибрировать (дрожать). В пластине возникает упругая волна.
Волны бывают и других видов: электромагнитные, гравитационные и др. Почти во всех областях физики мы можем встретить волновые процессы.
Фронт волны
Существует еще несколько разновидностей волн по фронту волны.
Когда частицы среды начинают колебаться в одинаковых фазах в определенный момент времени, они имеют какое-то расположение в пространстве. Их геометрическое место называют волновой поверхностью.
Фронт волны — это пограничная волновая поверхность, которая отделяет колеблющиеся частицы среды от частиц, которые еще не начали колебаться.
Можно сказать, что фронт волны является частным случаем волновой поверхности (рисунок 10). Он отделяет возмущенную среду от невозмущенной. Волновых поверхностей может быть много, а волновой фронт по определению один.
Если провести линию перпендикулярно волновому фронту в направлении распространения волны, то мы получим луч. Он будет указывает направление распространения волны.
В зависимости от формы фронта волны (или волновой поверхности) бывают плоские, сферические и цилиндрические волны. Это теоретические модели, потому что в реальности фронт волны имеет более сложную форму (часто его можно представить в виде комбинации этих моделей) и среда не бывает идеально однородной.
Плоские волны
Фронт плоской волны представляет собой плоскость (рисунок 11).
Волны этого вида чаще всего относятся к электромагнитным.
Сферические волны
Волны этого вида характеризуются фронтом в виде сферы (рисунок 12).
Если опустить пульсирующий шар в жидкость, то возникнут волны именно такого вида.
Цилиндрические волны
Фронт цилиндрической волны представляет собой цилиндрическую поверхность, на оси которой расположен источник колебаний (рисунок 13).
Например, если бы в наших опытах мы использовали поплавок в виде цилиндра, то на поверхности воды увидели бы цилиндрическую волну.
Виды волн по типу распространения в среде
Перейдем к последней на этом уроке, но не менее важной классификации волн. В зависимости от того, каким образом распространяется упругая волна в пространстве, ее можно отнести или к поперечным, или к продольным волнам.
Продольные волны
В рассмотренной нами выше пружине колебания ее витков происходили вдоль направления распространения волны (рисунок 14). В ней возникли продольные волны.
Продольные волны — это волны, в которых колебания происходят вдоль направления их распространения.
Поперечные волны
Другим видом волн являются поперечные волны.
Возьмем длинный резиновый шнур и закрепим один его конец (рисунок 15).
Теперь возьмем свободный конец шнура и начнем двигать его вверх и вниз (в вертикальной плоскости). Так мы приведем его в колебательное движение (рисунок 16).
В шнуре возникают силы упругости. Колебания начинают распространяться вдоль шнура. В нем возникают волны. При этом колебания частиц шнура происходят в направлении, перпендикулярном направлению распространения волн.
Поперечные волны — это волны, в которых колебания происходят перпендикулярно направлению их распространения.
Модели продольных и поперечных волн на волновой машине
Часто на уроках физики для демонстрации волновых движений используется волновая машина. С помощью узловых точек (шариков), движущихся вверх и вниз или вправо и влево, можно создать модель волны, распространяющейся в среде.
На рисунке 17 показана модель продольной волны на экране волновой машины. Распространяется она в горизонтальном направлении.
На волновой машине только один ряд шариков. Но если представить себе, что каждый шарик — это часть вертикального слоя вещества среды, то можно понять, как распространяется волна в некотором объеме твердого, жидкого или газообразного вещества.
Так, продольные волны — это волны сжатия и разрежения. В этом случае деформация слоев — это изменение их плотности. При продольной волне мы будем наблюдать чередующиеся уплотнения и разрежения вещества.
Продольные механические волны — это волны сжатия и разрежения.
Модель поперечной волны будет выглядеть как на рисунке 18. Волна распространяется в горизонтальном направлении.
Если представить вместо шариков слои вещества, то при поперечной волне они будут сдвигаться вверх и вниз. То есть они будут совершать колебания в вертикальном направлении. Поэтому их называют волнами сдвига.
Поперечные механические волны — это волны сдвига.
Распространение продольных и поперечных волн в разных средах
Доказано, что упругие силы при сдвиге слоев возникают только в твердых телах. В жидкостях и газах слои скользят друг по другу и никаких противодействующих этому сил не возникает. А раз нет упругих сил, то и сама упругая волна не может возникнуть. Получается, что поперечная волна может распространяться только в твердых телах.
А вот при сжатии и разрежении упругие силы возникают во всех веществах: и в твердых, и в жидких, и в газообразных. Значит, продольные волны могут распространяться в любой из этих сред.
Продольные волны могут распространяться в твердой, жидкой и газообразной средах, а поперечные — только в твердых телах.
Часто задаваемые вопросы
Волны — это возмущения, распространяющиеся в пространстве, удаляясь от места их возникновения.
Основное свойство бегущих волн — это перенос энергии без переноса вещества.
Упругие волны — это механические возмущения, распространяющиеся в упругой среде.
К упругим не относятся электромагнитные волны.
Продольные волны — это волны, в которых колебания происходят вдоль направления их распространения. Поперечной является волна, распространяющаяся вдоль пружины при ее сжатии или растяжении.
Поперечные волны — это волны, в которых колебания происходят перпендикулярно направлению их распространения. Поперечной является волна, распространяющаяся вдоль колеблющейся струны.
Поперечные волны — это волны сдвига, а продольные — волны сжатия и разрежения.
Для распространения волны необходимо, чтобы между слоями вещества возникали упругие силы. В жидкостях и газах слои скользят друг по другу и таких сил не возникает. А раз нет упругих сил, то и упругие волны не возникают.
Хотите оставить комментарий?
Войти