Механические волны. 11 класс. Физика.

Комментарии преподавателя

Если в каком-нибудь месте твердой, жидкой или газообразной среды возбуждены колебания частиц, то вследствие взаимодействия атомов и молекул среды колебания начинают передаваться от одной точки к другой с конечной скоростью.

   Процесс распространения колебаний в среде называется волной.

   Источником волн являются колеблющиеся тела, которые создают в окружающем пространстве деформацию среды. Для возникновения волны нужна деформация (наличие Fупр) среды. Для распространения волны нужна упругая среда. Механические волны могут распространяться только в какой-нибудь среде (веществе): в газе, в жидкости, в твердом теле.В вакууме механическая волна возникнуть не может.

   Механические волны бывают разных видов.

   Если при распространении волны частицы среды испытывают смещение в направлении, перпендикулярном направлению распространения, такая волна называется поперечной.

   Примером волны такого рода могут служить волны, бегущие по натянутому резиновому жгуту или по струне.

   Если смещение частиц среды происходит в направлении распространения волны, такая волна называется продольной. Волны в упругом стержне или звуковые волны в газе являются примерами таких волн.

   Волны на поверхности жидкости имеют как поперечную, так и продольную компоненты.

   Как в поперечных, так и в продольных волнах не происходит переноса вещества в направлении распространения волны. В процессе распространения частицы среды лишь совершают колебания около положений равновесия. Однако волны переносят энергию колебаний от одной точки среды к другой.

   Характерной особенностью механических волн является то, что они распространяются в материальных средах (твердых, жидких или газообразных). Существуют волны, которые способны распространяться и в пустоте (например, световые волны). Для механических волн обязательно нужна среда, обладающая способностью запасать кинетическую и потенциальную энергию. Следовательно, среда должна обладать инертными и упругими свойствами. В реальных средах эти свойства распределены по всему объему. Так, например, любой малый элемент твердого тела обладает массой и упругостью. В простейшей одномерной модели твердое тело можно представить как совокупность шариков и пружинок.

   В этой модели инертные и упругие свойства разделены. Шарики обладают массой m, а пружинки – жесткостью k. С помощью такой простой модели можно описать распространение продольных и поперечных волн в твердом теле. В продольных волнах шарики испытывают смещения вдоль цепочки, а пружинки растягиваются или сжимаются. Такая деформация называется деформацией растяжения или сжатия. В жидкостях или газах деформация такого рода сопровождается уплотнением или разрежением.

   Продольные механические волны могут распространяться в любых средах – твердых, жидких и газообразных.

   Если в одномерной модели твердого тела один или несколько шариков сместить в направлении, перпендикулярном цепочке, то возникнет деформация сдвига. Деформированные при таком смещении пружины будут стремиться возвратить смещенные частицы в положение равновесия. При этом на ближайшие несмещенные частицы будут действовать упругие силы, стремящиеся отклонить их от положения равновесия. В результате вдоль цепочки побежит поперечная волна.

   В жидкостях и газах упругая деформация сдвига не возникает. Если один слой жидкости или газа сместить на некоторое расстояние относительно соседнего слоя, то никаких касательных сил на границе между слоями не появляется. Силы, действующие на границе жидкости и твердого тела, а также силы между соседними слоями жидкости всегда направлены по нормали к границе – это силы давления. То же относится к газообразной среде. Следовательно, поперечные волны не могут существовать в жидкой или газообразной средах.

Характеристики волн:

   Амплитуда A колебания частиц – наибольшее отклонение колеблющейся частицы от положения равновесия.

   Амплитуда - расстояние между гребнем волны (наивысшей точкой) и точкой покоя (нуль). Иначе говоря - половина расстояния между самой высокой и самой низкой точками. Чем больше амплитуда волны - тем громче звук, тем сильнее шторм…

   Частота ν - число колебаний за 1 секунду.

   Длина волны λ – расстояние между двумя соседними точками на оси OX, колеблющимися в одинаковых фазах.

   Длина волны - расстояние между гребнями соседних волн. 

   Длина волны зависит от скорости распространения волны и от частоты колебания, породившего эту волну.

   Расстояние, равное длине волны λ, волна пробегает за период T, следовательно,

   λ = υT, где υ – скорость распространения волны или λ = υ/ν , где ν – частота колебаний

   Волны распространяются в однородных средах с некоторой постоянной скоростью υ. Скорость распространения - сколько метров пробегает волна за секунду. Например, скорость распространения звуковой волны (скорость звука) - около 330 м/с. Например, при температуре 20 °С скорость распространения продольных волн в воде υ ≈ 1480 м/с, в различных сортах стали υ ≈ 5–6 км/с.

Свойства механических волн

   1. Отражение волн - механические волны любого происхождения обладают способностью отражаться от границы раздела двух сред.

   2. Преломление волн -  при распространении механических волн можно наблюдать и явление преломления: изменение направления распространения механических волн при переходе из одной среды в другую.

   3. Дифракция волн - отклонение волн от прямолинейного распространения, то есть огибание ими препятствий.

   4. Интерференция волн - взаимовлияние двух волн. В пространстве, где распространяются несколько волн, их интерференция приводит к возникновению областей с минимальным и максимальным значениями амплитуды колебаний

К занятию прикреплен файл  «Это интересно!». Вы можете скачать файл  в любое удобное для вас время.

Использованные источники:

• http://www.youtube.com/watch?v=XvA3kNEPmMM
• http://www.youtube.com/watch?v=c4ftZ8cu5gc
• http://www.youtube.com/watch?v=Z1lRIiJNbDA

Файлы