Условия возникновения механических волн. Механические волны: источник, свойства, формулы
Темы кодификатора ЕГЭ: механические волны, длина волны, звук.
Механические волны - это процесс распространения в пространстве колебаний частиц упругой среды (твёрдой, жидкой или газообразной).
Наличие у среды упругих свойств является необходимым условием распространения волн: деформация, возникающая в каком-либо месте, благодаря взаимодействию соседних частиц последовательно передаётся от одной точки среды к другой. Различным типам деформаций будут соответствовать разные типы волн.
Продольные и поперечные волны.
Волна называется продольной , если частицы среды колеблются параллельно направлению распространения волны. Продольная волна состоит из чередующихся деформаций растяжения и сжатия. На рис. 1 показана продольная волна, представляющая собой колебания плоских слоёв среды; направление, вдоль которого колеблются слои, совпадает с направлением распространения волны (т. е. перпендикулярно слоям).
Волна называется поперечной, если частицы среды колеблются перпендикулярно направлению распространения волны. Поперечная волна вызывается деформациями сдвига одного слоя среды относительно другого. На рис. 2 каждый слой колеблется вдоль самого себя, а волна идёт перпендикулярно слоям.
Продольные волны могут распространяться в твёрдых телах, жидкостях и газах: во всех этих средах возникает упругая реакция на сжатие, в результате которой появятся бегущие друг за другом сжатия и разрежения среды.
Однако жидкости и газы, в отличие от твёрдых тел, не обладают упругостью по отношению к сдвигу слоёв. Поэтому поперечные волны могут распространяться в твёрдых телах, но не внутри жидкостей и газов*.
Важно отметить, что частицы среды при прохождении волны совершают колебания вблизи неизменных положений равновесия, т. е. в среднем остаются на своих местах. Волна, таким образом, осуществляет
перенос энергии, не сопровождающийся переносом вещества
.
Наиболее просты для изучения гармонические волны . Они вызываются внешним воздействием на среду, меняющимся по гармоническому закону. При распространении гармонической волны частицы среды совершают гармонические колебания с частотой, равной частоте внешнего воздействия. Гармоническими волнами мы в дальнейшем и ограничимся.
Рассмотрим процесс распространения волны более подробно. Допустим, что некоторая частица среды (частица ) начала совершать колебания с периодом . Действуя на соседнюю частицу она потянет её за собой. Частица в свою очередь, потянет за собой частицу и т. д. Так возникнет волна, в которой все частицы будут совершать колебания с периодом .
Однако частицы имеют массу, т. е. обладают инертностью. На изменение их скорости требуется некоторое время. Следовательно, частица в своём движении будет несколько отставать от частицы , частица будет отставать от частицы и т. д. Когда частица пустя время завершит первое колебание и начнёт второе, своё первое колебание начнёт частица , находящаяся от частицы на некотором расстоянии .
Итак, за время, равное периоду колебаний частиц, возмущение среды распространяется на расстояние . Это расстояние называется длиной волны. Колебания частицы будут идентичны колебаниям частицы колебания следующей частицы будут идентичны колебаниям частицы и т. д. Колебания как бы воспроизводят себя на расстоянии можно назвать пространственным периодом колебаний ; наряду с временным периодом она является важнейшей характеристикой волнового процесса. В продольной волне длина волны равна расстоянию между соседними сжатиями или разрежениями (рис. 1 ). В поперечной - расстоянию между соседними горбами или впадинами (рис. 2 ). Вообще, длина волны равна расстоянию (вдоль направления распространения волны) между двумя ближайшими частицами среды, колеблющимися одинаково (т. е. с разностью фаз, равной ).
Скоростью распространения волны называется отношение длины волны к периоду колебаний частиц среды:
Частотой волны называется частота колебаний частиц:
Отсюда получаем связь скорости волны, длины волны и частоты:
. (1)
Звук.
Звуковыми волнами в широком смысле называются всякие волны, распространяющиеся в упругой среде. В узком смысле звуком называют звуковые волны в диапазоне частот от 16 Гц до 20 кГц, воспринимаемые человеческим ухом. Ниже этого диапазона лежит область инфразвука , выше - область ультразвука.
К основным характеристикам звука относятся громкость
и высота
.
Громкость звука определяется амплитудой колебаний давления в звуковой волне и измеряется в специальных единицах -децибелах
(дБ). Так, громкость 0 дБ является порогом слышимости, 10 дБ - тиканье часов, 50 дБ - обычный разговор, 80 дБ - крик, 130 дБ - верхняя граница слышимости (так называемый болевой порог
).
Тон - это звук, который издаёт тело, совершающее гармонические колебания (например, камертон или струна). Высота тона определяется частотой этих колебаний: чем выше частота, тем выше нам кажется звук. Так, натягивая струну, мы увеличиваем частоту её колебаний и, соответственно, высоту звука.
Скорость звука в разных средах различна: чем более упругой является среда, тем быстрее в ней распространяется звук. В жидкостях скорость звука больше, чем в газах, а в твёрдых телах - больше, чем в жидкостях.
Например, скорость звука в воздухе при равна примерно 340 м/с (её удобно запомнить как "треть километра в секунду")*. В воде звук распространяется со скоростью около 1500 м/с, а в стали - около 5000 м/с.
Заметим, что частота
звука от данного источника во всех средах одна и та же: частицы среды совершают вынужденные колебания с частотой источника звука. Согласно формуле (1)
заключаем тогда, что при переходе из одной среды в другую наряду со скоростью звука изменяется длина звуковой волны.
Механическая или упругая волна - это процесс распространения колебаний в упругой среде. Например, вокруг колеблющейся струны или диффузора динамика начинает колебаться воздух - струна или динамик стали источниками звуковой волны.
Для возникновения механической волны необходимо выполнение двух условий - наличие источника волны (им может быть любое колеблющееся тело) и упругой среды (газа, жидкости, твердого вещества).
Выясним причину возникновения волны. Почему частицы среды, окружающие любое колеблющееся тело, тоже приходят в колебательное движение?
Простейшей моделью одномерной упругой среды является цепочка шариков, соединенных пружинками. Шарики - модели молекул, соединяющие их пружины моделируют силы взаимодействия между молекулами.
Допустим, первый шарик совершает колебания с частотой ω. Пружина 1-2 деформируется, в ней возникает сила упругости, меняющаяся с частотой ω. Под действием внешней периодически меняющейся силы второй шарик начинает совершать вынужденные колебания. Поскольку вынужденные колебания всегда происходят с частотой внешней вынуждающей силы, частота колебаний второго шарика будет совпадать с частотой колебаний первого. Однако вынужденные колебания второго шарика будут происходить с некоторым запаздыванием по фазе относительно внешней вынуждающей силы. Другими словами, второй шарик придет в колебательное движение несколько позже, чем первый шарик.
Колебания второго шарика вызовут периодически меняющуюся деформацию пружины 2-3, которая заставит колебаться третий шарик и т.д. Таким образом, все шарики в цепочке будут поочередно вовлекаться в колебательное движение с частотой колебаний первого шарика.
Очевидно, причиной распространения волны в упругой среде является наличие взаимодействия между молекулами. Частота колебания всех частиц в волне одинакова и совпадает с частотой колебаний источника волны.
По характеру колебаний частиц в волне волны делят на поперечные, продольные и поверхностные.
В продольной волне колебание частиц происходит вдоль направления распространения волны.
Распространение продольной волны связано с возникновением в среде деформации растяжения-сжатия. В растянутых участках среды наблюдается уменьшение плотности вещества - разрежение. В сжатых участках среды, наоборот, происходит увеличение плотности вещества -так называемое сгущение. По этой причине продольная волна представляет собой перемещение в пространстве областей сгущения и разрежения.
Деформация растяжения - сжатия может возникать в любой упругой среде, поэтому продольные волны могут распространяться в газах, жидкостях и твердых телах. Примером продольной волны является звук.
В поперечной волне частицы совершают колебания перпендикулярно направлению распространения волны.
Распространение поперечной волны связано с возникновением в среде деформации сдвига. Этот вид деформации может существовать только в твердых веществах, поэтому поперечные волны могут распространяться исключительно в твердых телах. Примером поперечной волны является сейсмическая S-волна.
Поверхностные волны возникают на границе раздела двух сред. Колеблющиеся частицы среды имеют как поперечную, перпендикулярную поверхности, так и продольную составляющие вектора смещения. Частицы среды описывают при своих колебаниях эллиптические траектории в плоскости, перпендикулярной поверхности и проходящей через направление распространения волны. Примером поверхностных волн являются волны на поверхности воды и сейсмические L - волны.
Волновым фронтом называют геометрическое место точек, до которых дошел волновой процесс. Форма волнового фронта может быть разной. Наиболее распространенными являются плоские, сферические и цилиндрические волны.
Обратите внимание - волновой фронт всегда располагается перпендикулярно направлению распространения волны! Все точки волнового фронта начнут колебаться в одной фазе .
Для характеристики волнового процесса вводят следующие величины:
1. Частота волны ν - это частота колебания всех частиц в волне.
2. Амплитуда волны А - это амплитуда колебания частиц в волне.
3. Скорость волны υ - это расстояние, на которое распространяется волновой процесс (возмущение) в единицу времени.
Обратите внимание - скорость волны и скорость колебания частиц в волне - это разные понятия! Скорость волны зависит от двух факторов: вида волны и среды, в которой волна распространяется.
Общая закономерность такова: скорость продольной волны в твердом веществе больше, чем в жидкостях, а скорость в жидкостях, в свою очередь, больше скорости волны в газах.
Понять физическую причину этой закономерности несложно. Причина распространения волны - взаимодействие молекул. Естественно, возмущение быстрее распространяется в той среде, где взаимодействие молекул более сильное.
В одной и той же среде закономерность другая - скорость продольной волны больше скорости поперечной волны.
Например, скорость продольной волны в твердом теле , где Е - модуль упругости (модуль Юнга) вещества, ρ - плотность вещества.
Скорость поперечной волны в твердом теле , где N - модуль сдвига. Поскольку для всех веществ , то . На отличии скоростей продольных и поперечных сейсмических волн основан один из методов определения расстояния до очага землетрясения.
Скорость поперечной волны в натянутом шнуре или струне определяется силой натяжения F и массой единицы длины μ:
4. Длина волны λ - минимальное расстояние между точками, которые колеблются одинаково.
Для волн, бегущих по поверхности воды, длина волны легко определяется как расстояние между двумя соседними горбами или соседними впадинами.
Для продольной волны длина волны может быть найдена как расстояние между двумя соседними сгущениями или разрежениями.
5. В процессе распространения волны участки среды вовлекаются в колебательный процесс. Колеблющаяся среда, во-первых, двигается, следовательно, обладает кинетической энергией. Во-вторых, среда, по которой бежит волна, деформирована, следовательно, обладает потенциальной энергией. Нетрудно видеть, что распространение волны связано с переносом энергии к невозбужденным участкам среды. Для характеристики процесса переноса энергии вводят интенсивность волны I .
Волновой процесс - процесс переноса энергии без переноса вещества.
Механическая волна - возмущение, распространяющееся в упругой среде.
Наличие упругой среды - необходимое условие распространения механических волн.
Перенос энергии и импульса в среде происходит в результате взаимодействия между соседними частицами среды.
Волны бывают продольные и поперечные.
Продольная механическая волна - волна, в которой движение частиц среды происходит в направлении распространения волны. Поперечная механическая волна - волна, в которой частицы среды перемещаются перпендикулярно направлению распространения волны.
Продольные волны могут распространяться в любой среде. Поперечные волны в газах и жидкостях не возникают, так как в них
отсутствуют фиксированные положения частиц.
Периодическое внешнее воздействие вызывает периодические волны.
Гармоническая волна - волна, порождаемая гармоническими колебаниями частиц среды.
Длина волны - расстояние, на которое распространяется волна за период колебаний ее источника:
Скорость механической волны - скорость распространения возмущения в среде. Поляризация - упорядоченность направлений колебаний частиц в среде.
Плоскость поляризации - плоскость, в которой колеблются частицы среды в волне. Линейно-поляризованная механическая волна - волна, частицы которой колеблются вдоль определенного направления (линии).
Поляризатор - устройство, выделяющее волну определенной поляризации.
Стоячая волна - волна, образующаяся в результате наложения двух гармонических волн, распространяющихся навстречу друг другу и имеющих одинаковый период, амплитуду и поляризацию.
Пучности стоячей волны - положение точек, имеющих максимальную амплитуду колебаний.
Узлы стоячей волны - неперемещающиеся точки волны, амплитуда колебаний которых равна нулю.
На длине l струны, закрепленной на концах, укладывается целое число п полуволн поперечных стоячих волн:
Такие волны называются модами колебаний.
Мода колебаний для произвольного целого числа n > 1 называется n-й гармоникой или n-м обертоном. Мода колебаний для n = 1 называется первой гармоникой или основной модой колебаний. Звуковые волны - упругие волны в среде, вызывающие у человека слуховые ощущения.
Частота колебаний, соответствующих звуковых волнам, лежит в пределах от 16 Гц до 20 кГц.
Скорость распространения звуковых волн определяется скоростью передачи взаимодействия между частицами. Скорость звука в твердом теле v п, как правило, больше скорости звука в жидкости v ж, которая, в свою очередь, превышает скорость звука в газе v г.
Звуковые сигналы классифицируют по высоте, тембру и громкости. Высота звука определяется частотой источника звуковых колебаний. Чем больше частота колебаний, тем выше звук; колебаниям малых частот соответствуют низкие звуки. Тембр звука определяется формой звуковых колебаний. Различие формы колебаний, имеющих одинаковый период, связано с разными относительными амплитудами основной моды и обертоном. Громкость звука характеризуется уровнем интенсивности звука. Интенсивность звука - энергия звуковых волн, падающая на площадь 1 м 2 за 1 с.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Продольная волна – это волна, при распространении которой смещение частиц среды происходит в направлении распространения волны (рис.1, а).
Причиной возникновения продольной волны является сжатия/растяжения, т.е. сопротивление среды изменению ее объема. В жидкостях или газах такая деформация сопровождается разрежением или уплотнением частиц среды. Продольные волны могут распространяться в любых средах – твердых, жидких и газообразных.
Примерами продольных волн являются волны в упругом стержне или звуковые волны в газах.
Поперечные волны
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Поперечная волна – это волна, при распространении которой смещение частиц среды происходит в направлении, перпендикулярном распространению волны (рис.1,б).
Причиной поперечной волны является деформация сдвига одного слоя среды относительно другого. При распространении поперечной волны в среде образуются гребни и впадины. Жидкости и газы, в отличие от твердых тел, не обладают упругостью по отношению к сдвигу слоев, т.е. не оказывают сопротивления изменению формы. Поэтому поперечные волны могут распространяться только в твердых телах.
Примерами поперечных волн могут служить волны, бегущие по натянутой веревке или по струне.
Волны на поверхности жидкости не являются ни продольными, ни поперечными. Если бросить на поверхность воды поплавок, то можно увидеть, что он движется, покачиваясь на волнах, по круговой . Таким образом, волна на поверхности жидкости имеет как поперечную, так и продольную компоненты. На поверхности жидкости также могут возникать волны особого типа – так называемые поверхностные волны . Они возникают в результате действия и силы поверхностного натяжения.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Определить направление распространения поперечной волны, если поплавок в некоторый момент времени имеет направление скорости, указанное на рисунке.
|
| Решение | Сделаем рисунок.
Начертим поверхность волны вблизи поплавка через некоторый промежуток времени , учитывая, что за это время поплавок опустился вниз, так как его в момент времени была направлена вниз. Продолжив линию вправо и влево, покажем положение волны в момент времени . Сравнив положение волны в начальный момент времени (сплошная линия) и в момент времени (пунктирная линия), делаем вывод о том, что волна распространяется влево. |
