Чтобы понять, как распространяются колебания в среде, начнем издалека. Вы отдыхали когда-нибудь на берегу моря, наблюдая за методично набегающими на песок волнами? Чудесное зрелище, не правда ли? Но в этом зрелище кроме удовольствия можно отыскать и некоторую пользу, если немного задуматься и порассуждать. Порассуждаем и мы, дабы принести пользу своему уму.
Что такое волны?
Принято считать, что волны это перемещение воды. Возникают они вследствие дующего над морем ветра. Но получается, что если волны это перемещение воды, то дующий в одном направлении ветер должен был бы за некоторое время просто-напросто перегнать большую часть морской воды с одного конца мора в другой. И тогда где-то, скажем у берегов Турции, вода ушла бы на несколько километров от берега, а в Крыму был бы потоп.
А если над одним морем дуют два разных ветра, то где-то они могли бы организовать большущую яму прямо в воде. Однако, так не происходит. Бывают, конечно, затопления прибрежных территорий во время ураганов, но море просто обрушивает свои волны на берег, тем дальше, чем они выше, однако оно само не перемещается.
Иначе моря могли бы так и путешествовать по всей планете вместе с ветрами. Поэтому выходит, что вода не перемещается вместе с волнами, а остается на месте. Что же тогда такое волны? Какова их природа?
Распространение колебаний и есть волны?
Колебания и волны проходят в 9 классе в курсе физики в одной теме. Логично предположить тогда, что это два явления одной природы, что они связаны. И это совершенно верно. Распространение колебаний в среде это и есть волны.
Увидеть это наглядно очень просто. Привяжите веревку одним концом к чему-либо неподвижному, а другой конец натяните и потом слегка встряхните.
Вы увидите, как по веревке от руки побегут волны. При этом сама веревка не перемещается от вас, она колеблется. По ней распространяются колебания от источника, и передается энергия этих колебаний.
Именно поэтому, волны выбрасывают на берег предметы и обрушиваются с силой сами они передают энергию. Однако само вещество при этом не перемещается. Море остается на своем законном месте.
Продольные и поперечные волны
Различают продольные и поперечные волны. Волны, в которых колебания происходят вдоль направления их распространения, называют продольными . А поперечные волны это волны, распространяющиеся перпендикулярно направлению колебаний.
Как вы думаете, какие волны были у веревки или морских волн? Поперечные волны были в нашем примере с веревкой. Колебания у нас были направлены вверх-вниз, а волна распространялась вдоль веревки, то есть перпендикулярно.
Чтобы получить продольные волны в нашем примере, нам надо веревку заменить на резиновый шнур. Натянув шнур неподвижно, надо пальцами растянуть его в некотором месте и отпустить. Натянутый отрезок шнура сократится, но энергия этого растяжения-сокращения будет какое-то время передаваться по шнуру дальше в виде колебаний.
Колебания, возбужденные в какой-либо точке среды (твердой, жидкой или газообразной), распространяются в ней с конечной скоростью, зависящей от свойств среды, передаваясь от одной точки среды к другой. Чем дальше расположена частица среды от источника колебаний, тем позднее она начнет колебаться. Иначе говоря, увлекаемые частицы будут отставать по фазе от тех частиц, которые их увлекают.
При изучении распространения колебаний не учитывается дискретное (молекулярное) строение среды. Среда рассматривается как сплошная, т.е. непрерывно распределенная в пространстве и обладающая упругими свойствами.
Итак, колеблющееся тело, помещенное в упругую среду, является источником колебаний, распространяющихся от него во все стороны. Процесс распространения колебаний в среде называется волной .
При распространении волны частицы среды не движутся вместе с волной, а колеблются около своих положений равновесия. Вместе с волной от частицы к частице передается лишь состояние колебательного движения и энергия. Поэтому основным свойством всех волн , независимо от их природы , является перенос энергии без переноса вещества.
Волны бывают поперечными (колебания происходят в плоскости, перпендикулярной направлению распространения ) и продольными (сгущение и разрежение частиц среды происходит в направлении распространения ).
где υ – скорость распространения волны, – период, ν – частота. Отсюда скорость распространения волны можно найти по формуле:
| . | (5.1.2) |
Геометрическое место точек, колеблющихся в одинаковой фазе, называется волновой поверхностью . Волновую поверхность можно провести через любую точку пространства, охваченную волновым процессом, т.е. волновых поверхностей бесконечное множество. Волновые поверхности остаются неподвижными (они проходят через положение равновесия частиц, колеблющихся в одинаковой фазе). Волновой фронт только один, и он все время перемещается.
Волновые поверхности могут быть любой формы. В простейших случаях волновые поверхности имеют форму плоскости илисферы , соответственно волны называются плоскими или сферическими . В плоской волне волновые поверхности представляют собой систему параллельных друг другу плоскостей, в сферической волне – систему концентрических сфер.
ОК-9 Распространение колебаний в упругой среде
Волновое движение - механические волны, т. е. волны, которые распространяются только в веществе (морские, звуковые, волны в струне, волны землетрясений). Источниками волн являются колебания вибратора.
Вибратор - колеблющееся тело. Создает колебания в упругой среде.
Волной называются колебания, распространяющиеся в пространстве с течением времени.
Волновая поверхность - геометрическое место точек среды, колеблющихся в одинаковых фазах
Л
уч
- линия, касательная к которой в каждой
точке совпадает с направлением
распространения волны.
Причина возникновения волн в упругой среде
Если вибратор колеблется в упругой среде, то он воздействует на частицы среды, заставляя их совершать вынужденные колебания. За счет сил взаимодействия между частицами среды колебания передаются от одной частицы к другой.
Т
ипы
волн
Поперечные волны
Волны, в которых колебания частиц среды происходят в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. Возникают в твердых телах и на поверхности поды.
П
родольные
волны
Колебания происходят вдоль распространения волны. Могут возникать в газах, жидкостях и твердых телах.
Поверхностные волны
В
олны,
которые распространяются на границе
раздела двух сред. Волны на границе
между водой и воздухом. Еслиλ
меньше
глубины водоема, то каждая частица воды
на поверхности и вблизи от нее движется
по эллипсу, т.е. представляет собой
комбинацию колебаний в продольном и
поперечном направлениях. У дна же
наблюдается чисто продольное движение.
Плоские волны
Волны, у которых волновые поверхности являются плоскостями, перпендикулярными на правлению распространения волн.
С
ферические
волны
Волны, у которых волновые поверхности являются сферами. Сферы волновых поверхностей концентрические.
Характеристики волнового движения
Длина волны
Наименьшее расстояние между двумя гонками, колеблющимися в одной фазе, называется длиной волны. Зависит только от среды, в которой распространяется волна, при равных частотах вибратора.
Частота
Частота ν волнового движения зависит только от частоты вибратора.
Скорость распространения волны
Скорость v=λν
. Так как
,
то
.
Однако скорость распространения волны
зависит от вида вещества и его состояния;
отν
иλ
, не зависит.
В идеальном газе
,
гдеR
- газовая
постоянная;М
- молярная масса;Т
- абсолютная температура;γ
-
постоянная для данного газа;ρ
-
плотность вещества.
В твердых телах поперечные волны
,
гдеN
- модуль сдвига;
продольные волны
,
гдеQ
- модуль
всестороннего сжатия. В твердых стержнях
гдеЕ
- модуль Юнга.
В твердых телах распространяются как поперечные, так и продольные волны с разными скоростями. На этом основан способ определения эпицентра землетрясения.
Уравнение плоской волны
Его вид x =x 0 sinωt (t −l /v) =x 0 sin(ωt −kl ), гдеk = 2π /λ - волновое число;l - расстояние, пройденное волной от вибратора до рассматриваемой точкиА .
Запаздывание по времени колебаний точек
среды:
.
Запаздывание по фазе колебаний точек
среды:
.
Разность фаз двух колеблющихся точек: ∆φ =φ 2 −φ 1 = 2π (l 2 −l 1)/λ .
Энергия волны
Волны переносят энергию от одной колеблющейся частицы к другой. Частицы совершают только колебательные движения, но не движутся вместе с волной: E =E к +E п,
где E к - кинетическая энергия колеблющейся частицы;E п - потенциальная энергия упругой деформации среды.
В некотором объеме V
упругой среды, в которой распространяется
волна с амплитудойх
0 и
циклической частотойω
, имеется
средняя энергияW
,
равная
,
гдеm
- масса выделенного
объема среды.
Интенсивность волны
Физическая величина, которая равна
энергии, переносимой волной за единицу
времени через единицу площади поверхности
перпендикулярно направлению распространения
волны, называется интенсивностью волны:
.
Известно, чтоW
иj
~
.
Мощность волны
Если S - поперечная площадь поверхности, через которую волной переносится энергия, аj - интенсивность волны, то мощность волны равна:p =jS .
ОК-10 Звуковые волны
У
пругие
волны, вызывающие у человека ощущение
звука, называются звуковыми волнами.
16 –2∙10 4 Гц - слышимые звуки;
меньше 16 Гц - инфразвуки;
больше 2∙10 4 Гц - ультразвуки.
О
бязательное
условие для возникновения звуковой
волны - наличие упругой среды.
М
еханизм
возникновения звуковой волны аналогичен
возникновению механической волны в
упругой среде. Совершая колебания в
упругой среде, вибратор воздействует
на частицы среды.
Звук создают долговременные периодические источники звука. Например, музыкальный: струна, камертон, свист, пение.
Шум создают долговременные, но не периодические источники звука: дождь, море, толпа.
Скорость звука
Зависит от среды и ее состояния, как и для любой механической волны:
.
При t = 0°Сv воды = 1430 м/с,v стали = 5000 м/с,v воздуха = 331 м/с.
Приемники звуковых волн
1. Искусственные: микрофон преобразует
механические звуковые колебания в
электрические. Характеризуются
чувствительностью σ
:
,σ
зависит отν
з.в. .
2. Естественные: ухо.
Его чувствительность воспринимает звук при ∆p = 10 −6 Па.
Чем меньше частота ν звуковой волны, тем меньше чувствительностьσ уха. Еслиν з.в. уменьшается от 1000 до 100 Гц, тоσ уха уменьшается в 1000 раз.
Исключительная избирательность: дирижер улавливает звуки отдельных инструментов.
Физические характеристики звука
Объективные
1. Звуковое давление - давление, оказываемое звуковой волной на стоящее перед ней препятствие.
2. Спектр звука - разложение сложной звуковой волны на составляющие ее частоты.
3.
Интенсивность
звуковой волны:
,
гдеS
- площадь
поверхности;W
-
энергия звуковой волны;t
- время;
.
Субъективные
Громкость, как и высота, звука связана с ощущением, возникающим в сознании человека, а также с интенсивностью волны.
Человеческое ухо способно воспринимать
звуки интенсивностью от 10 −12 (порог слышимости) до 1
(порог болевого ощущения).
Г
ромкость
не является прямо пропорциональной
величиной интенсивности. Чтобы получить
звук в 2 раза большей громкости, надо
интенсивность увеличить в 10 раз. Волна,
имеющая интенсивность 10 −2 Вт/м 2 ,
звучит в 4 раза громче, чем волна
интенсивностью 10 −4 Вт/м 2 .
Из-за этого соотношения между объективным
ощущением громкости и интенсивностью
звука используют логарифмическую шкалу.
Единицей этой шкалы является бел (Б) или
децибел (дБ), (1 дБ = 0,1 Б), названная в честь
физика Генриха Бела. Уровень громкости
выражается в белах:
,
гдеI
0 = 10 −12 
порог слышимости (усредненный).
Е
слиI
= 10 −2 
,
то
.
Громкие звуки вредны для нашего организма. Санитарная норма равна 30–40 дБ. Это громкость спокойной тихой беседы.
Шумовая болезнь: высокое артериальное давление крови, нервная возбудимость, тугоухость, быстрая утомляемость, плохой сон.
Интенсивность и громкость звука от различных источников: реактивный самолет - 140 дБ, 100 Вт/м 2 ; рок-музыка в закрытом помещении - 120 дБ, 1 Вт/м 2 ; обычный разговор (50 см от него) - 65 дБ, 3,2∙10 −6 Вт/м 2 .
Высота звука зависит от частоты колебаний: чем >ν , тем выше звук.
Т
ембр
звука
позволяет различать два звука
одинаковой высоты и громкости, издаваемых
различными инструментами. Он зависит
от спектрального состава.
Ультразвук
Применяется: эхолот для определения глубины моря, приготовление эмульсий (вода, масло), отмывка деталей, дубление кожи, обнаружение дефектов в металлических изделиях, в медицине и др.
Распространяется на значительные расстояния в твердых телах и жидкостях. Переносит энергию значительно большую, чем звуковая волна.
Представляем вашему вниманию видеоурок по теме «Распространение колебаний в упругой среде. Продольные и поперечные волны». На этом уроке мы будем изучать вопросы, связанные с распространением колебаний в упругой среде. Вы узнаете, что такое волна, как она появляется, чем она характеризуется. Изучим свойства и отличия продольных и поперечных волн.
Мы переходим к изучению вопросов, связанных с волнами. Поговорим о том, что такое волна, как она появляется и чем характеризуется. Оказывается, помимо просто колебательного процесса в узкой области пространства, возможно еще и распространение этих колебаний в среде, именно такое распространение и есть волновое движение.
Перейдем к обсуждению этого распространения. Чтобы обсудить возможность существования колебаний в среде, мы должны определиться с тем, что такое плотная среда. Плотной средой называют такую среду, которая состоит из большого числа частиц, взаимодействие которых очень близко к упругому. Представим следующий мысленный эксперимент.
Рис. 1. Мысленный эксперимент
Поместим в упругую среду шар. Шар будет сжиматься, уменьшаться в размерах, а потом расширяться наподобие биения сердца. Что в этом случае будет наблюдаться? В этом случае частицы, которые прилегают вплотную к этому шару, будут повторять его движение, т.е. удаляться, приближаться - тем самым будут совершать колебания. Поскольку эти частицы взаимодействуют с другими более удаленными от шара частицами, то они также будут совершать колебания, но с некоторым запаздыванием. Частицы, которые к этому шару прилегают вплотную, совершают колебания. Они будут передаваться другим частицам, более далеким. Таким образом, колебание будет распространяться по всем направлениям. Обратите внимание, в данном случае произойдет распространение состояния колебаний. Такое распространение состояния колебаний мы и называем волной. Можно сказать, что процесс распространения колебаний в упругой среде с течением времени называется механической волной.
Обратите внимание: когда мы говорим о процессе возникновения таких колебаний, надо говорить о том, что они возможны, только если существует взаимодействие между частицами. Другими словами, волна может существовать только тогда, когда есть внешняя возмущающая сила и силы, которые противостоят действию силы возмущения. В данном случае это силы упругости. Процесс распространения в данном случае будет связан с тем, какова плотность и сила взаимодействия между частицами данной среды.
Отметим еще одну вещь. Волна не переносит вещества . Ведь частицы совершают колебания возле положения равновесия. Но вместе с тем волна переносит энергию. Этот факт можно проиллюстрировать волнами цунами. Вещество не переносится волной, но волна переносит такую энергию, которая приносит большие бедствия.
Поговорим о типах волн. Существуют две разновидности - волны продольные и поперечные. Что такое продольные волны ? Эти волны могут существовать во всех средах. И пример с пульсирующим шаром внутри плотной среды - это как раз пример образования продольной волны. Такая волна представляет собой распространение в пространстве с течением времени. Вот это чередование уплотнения и разряжения и представляет собой продольную волну. Еще раз повторюсь, что такая волна может существовать во всех средах - жидких, твердых, газообразных. Продольной называется волна, при распространении которой частицы среды совершают колебания вдоль направления распространения волны.
Рис. 2. Продольная волна
Что касается поперечной волны, то поперечная волна может существовать только в твердых телах и на поверхности жидкости. Поперечной называется волна, при распространении которой частицы среды совершают колебания перпендикулярно направления распространения волны.
Рис. 3. Поперечная волна
Скорость распространения продольных и поперечных волн разная, но это уже тема следующих уроков.
Список дополнительной литературы:
А так ли хорошо знакомо вам понятие волна? // Квант. — 1985. — №6. — С. 32-33. Физика: Механика. 10 кл.: Учеб. для углубленного изучения физики / М.М. Балашов, А.И. Гомонова, А.Б. Долицкий и др.; Под ред. Г.Я. Мякишева. - М.: Дрофа, 2002. Элементарный учебник физики. Под ред. Г.С. Ландсберга. Т. 3. - М., 1974.
Готовые работы
ДИПЛОМНЫЕ РАБОТЫ
Многое уже позади и теперь ты - выпускник, если, конечно, вовремя напишешь дипломную работу. Но жизнь - такая штука, что только сейчас тебе становится понятно, что, перестав быть студентом, ты потеряешь все студенческие радости, многие из которых, ты так и не попробовал, всё откладывая и откладывая на потом. И теперь, вместо того, чтобы навёрстывать упущенное, ты корпишь над дипломной работой? Есть отличный выход: скачать нужную тебе дипломную работу с нашего сайта - и у тебя мигом появится масса свободного времени!
Дипломные работы успешно защищены в ведущих Университетах РК.
Стоимость работы от 20 000 тенге
КУРСОВЫЕ РАБОТЫ
Курсовой проект - это первая серьезная практическая работа. Именно с написания курсовой начинается подготовка к разработке дипломных проектов. Если студент научиться правильно излагать содержание темы в курсовом проекте и грамотно его оформлять, то в последующем у него не возникнет проблем ни с написанием отчетов, ни с составлением дипломных работ, ни с выполнением других практических заданий. Чтобы оказать помощь студентам в написании этого типа студенческой работы и разъяснить возникающие по ходу ее составления вопросы, собственно говоря, и был создан данный информационный раздел.
Стоимость работы от 2 500 тенге
МАГИСТЕРСКИЕ ДИССЕРТАЦИИ
В настоящее время в высших учебных заведениях Казахстана и стран СНГ очень распространена ступень высшего профессионального образования, которая следует после бакалавриата - магистратура. В магистратуре обучаются с целью получения диплома магистра, признаваемого в большинстве стран мира больше, чем диплом бакалавра, а также признаётся зарубежными работодателями. Итогом обучения в магистратуре является защита магистерской диссертации.
Мы предоставим Вам актуальный аналитический и текстовый материал, в стоимость включены 2 научные статьи и автореферат.
Стоимость работы от 35 000 тенге
ОТЧЕТЫ ПО ПРАКТИКЕ
После прохождения любого типа студенческой практики (учебной, производственной, преддипломной) требуется составить отчёт. Этот документ будет подтверждением практической работы студента и основой формирования оценки за практику. Обычно, чтобы составить отчёт по практике, требуется собрать и проанализировать информацию о предприятии, рассмотреть структуру и распорядок работы организации, в которой проходится практика, составить календарный план и описать свою практическую деятельность.
Мы поможет написать отчёт о прохождении практики с учетом специфики деятельности конкретного предприятия.