Примеры волновых явлений в природе. Электромагнитные волны

Данные явления присущи волнам любой природы. Причем явления интерференции, дифракции, поляризации и свойственны только волновым процессам и бывают объяснены только на базе волновой теории.

Отражение и преломление. Распространение волн геометрически описывается с помощью лучей. В однородной среде (n = const) лучи прямолинœейны. При этом, на границе раздела сред их направления меняются. При этом образуется две волны: отраженная, распространяющаяся в первой среде с прежней скоростью, и преломленная, распространяющаяся во второй среде с другой скоростью, зависящей от свойств этой среды. Явление отражения известно как для звуковых (эхо), так и для световых волн. Благодаря отражению света формируется мнимое изображение в зеркале. Преломление света лежит в базе множества интересных атмосферных явлений. Оно широко используется в различных оптических устройствах: линзах, призмах, оптических волокнах. Эти устройства являются элементами приборов самого разного назначения: фотоаппаратов, микроскопов и телœескопов, перископов, проекторов, оптических систем связи и т.д.

Интерференция волн – явление перераспределœения энергии при наложении двух (или нескольких) когерентных (согласованных) волн, сопровождающееся возникновением интерференционной картины чередующихся максимумов и минимумов интенсивности (амплитуды) результирующей волны. Когерентными называются волны, для которых разность фаз в точке сложения остаётся неизменной во времени, но может изменяться от точки к точке и в пространстве. В случае если волны встречаются ʼʼв фазеʼʼ, ᴛ.ᴇ. одновременно достигают максимального отклонения в одном направлении, то они усиливают друг друга, а если встречаются ʼʼв противофазеʼʼ, ᴛ.ᴇ. одновременно достигают противоположных отклонений, то ослабляют друг друга. Согласование колебаний двух волн (когерентность) двух волн в случае света возможно, только если они имеют общее происхождение, что обусловлено особенностями процессов излучения. Исключение составляют лазеры, излучение которых характеризуется высокой когерентностью. По этой причине для наблюдения интерференции свет, идущий от одного источника делят на две группы волн, либо пропуская через два отверстия (щели) в непрозрачном экране, либо за счёт отражения и преломления на границе сред в тонких пленках. Интерференционная картина от монохроматического источника (λ =const ) на экране для лучей, прошедших через две узкие близко расположенные щели, имеет вид чередующихся ярких и темных полос (опыт Юнга, 1801 ᴦ.). Яркие полосы – максимумы интенсивности наблюдаются в тех точках экрана, в которых волны от двух щелœей встречаются ʼʼв фазеʼʼ, т. е. их разность фаз

, m =0,1,2,…, (3.10)

Это соответствует разности хода лучей, кратной целому числу длин волн λ

, m =0,1,2,…, (3.11)

Темные полосы (взаимные погашения), ᴛ.ᴇ. минимумы интенсивности возникают в тех точках экрана, в которых волны встречаются ʼʼв противофазеʼʼ, т. е. их разность фаз составляет

, m =0,1,2,…, (3.12)

Это соответствует разности хода лучей, кратной нечетному числу полуволн

, m =0,1,2,…. (3.13)

Интерференция наблюдается для различных волн. Интерференция белого света͵ включающего всœе волны видимого света в диапазоне длин волн мкм может проявляться в виде радужной окраски тонких пленок бензина на поверхности воды, мыльных пузырей, окисных пленок на поверхности металлов. Условия интерференционного максимума в разных точках пленки выполняются для разных волн с разной длиной волны, что приводит к усилению волн разного цвета. Условия интерференции определяются длиной волны, которая для видимого света составляет доли микрон (1 мкм = 10 -6 м), в связи с этим данное явление лежит в базе различных прецизионных (ʼʼсверхточныхʼʼ) методов исследования, контроля и измерения. На использовании интерференции основано использование интерферометров, интерференционных спектроскопов, а также метод голографии. Интерференция света используется для измерения длины волны излучения, исследования тонкой структуры спектральных линий, определœения плотностей, показателœей преломления веществ, толщины тонких покрытий.

Дифракция – совокупность явлений, возникающих при распространении волны в среде с резко выраженной неоднородностью свойств. Это наблюдается при прохождении волн через отверстие в экране, вблизи границы непрозрачных объектов и т.д. Дифракция приводит к огибанию волной препятствия, размеры которого соизмеримы с длиной волны. В случае если размер препятствия намного превышает длину волны, то дифракция проявляется слабо. На макроскопических препятствиях наблюдается дифракция звуковых, сейсмических волн, радиоволн, для которых 1см км. Стоит сказать, что для наблюдения дифракции света препятствия должны иметь существенно меньшие размеры. Дифракцией звуковых волн объясняется возможность слышать голос человека, находящегося за углом дома. Дифракцией радиоволн вокруг поверхности Земли объясняется приём радиосигналов в диапазоне длинных и средних радиоволн далеко за пределами прямой видимости излучающей антенны.

Дифракция волн сопровождается их интерференцией, что приводит к формированию дифракционной картины, чередующихся максимумов и минимумов интенсивности. При похождении света через дифракционную решетку, представляющую собой совокупность чередующихся параллельных прозрачных и непрозрачных полос (до 1000 на 1мм), на экране возникает дифракционная картина, положение максимумов которой зависит от длины волны излучения. Это позволяет использовать дифракционную решетку для анализа спектрального состава излучения. Структура кристаллического вещества подобна трехмерной дифракционной решетки. Наблюдение дифракционной картины при прохождении рентгеновского излучения, пучка электронов или нейронов, через кристаллы, в которых упорядоченно расположены частицы вещества (атомы, ионы, молекулы), позволяет исследовать особенности их структуры. Характерной величиной для межатомных расстояний является d~10 -10 м, что соответствует длинам волн используемых излучений и делает их незаменимыми для кристаллографического анализа.

Дифракция света определяет предел разрешающей способности оптических приборов (телœескопов, микроскопов и др.). Разрешающая способность – минимальное расстояние между двумя объектами, при котором они видны раздельно, не сливаются – разрешаются. Из-за дифракции изображение точечного источника (к примеру, звезды в телœескопе) имеет вид кружка, так что близко расположенные объекты не разрешаются. Разрешающая способность зависит от ряда параметров, в т. ч. от длины волны: чем меньше длина волны, тем лучше разрешение. По этой причине размер объекта͵ наблюдаемого в оптическом микроскопе, ограничен длиной световой волны (приблизительно 0,5 мкм).

Явление интерференции и дифракции света лежат в базе принципа записи и воспроизведения изображения в голографии. В предложенном в 1948 году Д. Габором (1900 – 1979) методе фиксируется интерференционная картина, полученная при освещении объекта и фотопластинки когерентными лучами. Полученная голограмма представляет собой чередующиеся светлые и темные пятна, не имеющие сходства с объектом, однако, дифракция от голограммы световых волн, идентичных использовавшимся при ее записи, позволяет восстановить волну, рассеянную реальным объектом и получить его объёмное изображение.

Поляризация – явление свойственное только поперечным волнам. Поперечность световых волн (как и любых других электромагнитных волн) выражается в том, что колеблющиеся в них векторы напряженности электрического () и индукции магнитного () полей перпендикулярны направлению распространения волны. Вместе с тем, эти векторы взаимно перпендикулярны, в связи с этим для полного описания состояния поляризации света требуется знать поведение лишь одного из них. Действие света на регистрирующие устройства определяется вектором напряженности электрического поля, который называют световым вектором.

Световые волны, испущенные естественным источником излучения ᴛ.ᴇ. множеством независимых атомов, являются не поляризованными, т.к. направление колебаний светового вектора () в естественном луче непрерывно и беспорядочно изменятся, оставаясь перпендикулярным вектору скорости волны.

Свет, у которого направление светового вектора остается неизменным, принято называть линœейно поляризованным. Поляризация – упорядочение колебаний вектора. Примером может служить гармоническая волна. Для поляризации света используются устройства, называемые поляризаторами, действие которых основано на особенностях процессов отражения и преломления света͵ а так же на анизотропии оптических свойств вещества в кристаллическом состоянии. Световой вектор в луче, прошедшем через поляризатор, колеблется в плоскости называемой плоскостью поляризатора. При прохождении поляризованного света через второй поляризатор оказывается, что интенсивности прошедшего луча изменяется при вращении поляризатора. Свет проходит через прибор без поглощения, в случае если его поляризация совпадает с плоскостью второго поляризатора и полностью им задерживается при повороте кристалла на 90 градусов, когда плоскость колебаний поляризованного света оказывается перпендикулярно плоскости второго поляризатора.

Поляризация света нашла широкое применение в различных отраслях научных исследований и техники. она используется в микроскопических исследованиях, в процессах звукозаписи, оптической локации, скоростной кино- и фотосъемке, в пищевой промышленности (сахариметрия) и т.д.

Дисперсия - зависимость скорости распространения волн от их частоты (длины волны). При распространении электромагнитных волн в среде возникает -

Дисперсия определяется физическими свойствами той среды, в которой распространяются волны. К примеру, в вакууме электромагнитные волны распространяются без дисперсии, в вещественной же среде, даже в такой разреженной, как ионосфера Земли, возникает дисперсия. Звуковые и ультразвуковые волны также обнаруживают дисперсию. При распространении их в среде гармонические волны разных частот, на которые должна быть разложен сигнал, распространяются с различной скоростью, что приводит к искажению формы сигналов. Дисперсия света - зависимость показателя преломления вещества от частоты (длины волны) света. При изменении скорости света исходя из частоты (длины волны) показатель преломления меняется. В следствии дисперсии белый свет, состоящий из множества волн различной частоты, при прохождении сквозь прозрачную трехгранную призму разлагается и образуется сплошной (непрерывный) спектр.
Размещено на реф.рф
Изучение этого спектра привело И. Ньютона (1672) к открытию дисперсии света. Для веществ, прозрачных в данной области спектра, показатель преломленияувеличивается с увеличением частоты (уменьшением длины волны), чему и соответствует распределœение цветов в спектре. Наибольший показатель преломления оказывается для фиолетового света (=0,38 мкм), наименьший у красного (=0,76 мкм). Подобное явление наблюдается в природе при распространении солнечного света в атмосфере и его преломлении в частицах воды (летом) и льда (зимой). При этом возникает радуга или солнечное гало.

Эффект Доплера. Эффект Доплера - изменение частоты или длины волн, воспринимаемых наблюдателœем (приёмником), вследствие движения источника волн и наблюдателя относительно друг друга. Скорость волны u определяется свойствами среды и при движении источника или наблюдателя не меняется. В случае если наблюдатель или источник волн движется со скоростью относительно среды, то частота v принимаемых волнстановится иной. При этом, как установил К. Доплер (1803 – 1853), при приближении наблюдателя к источнику частота волн увеличивается, а при удалении – уменьшается. Это соответствует уменьшению длины волны λ при сближении источника и наблюдателя и увеличению λ при их взаимном удалении. Для звуковых волн Эффект Доплера проявляется в повышении тона звука, когда источник звука и наблюдатель сближаются (за 1 сек наблюдатель воспринимает большее число волн), и соответственно в понижении тона звука, когда они удаляются. Эффект Доплера обуславливает и ʼʼкрасное смещениеʼʼ, что описано выше. - понижение частот электромагнитного излучения от движущегося источника. Это название связано с тем, что в видимой части спектра в результате эффекта Доплера линии оказываются смещенными к красному концу; ʼʼкрасное смещениеʼʼ наблюдается и в излучениях любых других частот, к примеру в радиодиапазоне. Противоположный эффект, связанный с повышением частот, принято называть синим (или фиолетовым) смещением. В астрофизике рассматриваются два ʼʼкрасных смещенияʼʼ - космологическое и гравитационное. Космологическим (метагалактическим) называют ʼʼкрасное смещениеʼʼ, наблюдаемое для всœех далёких источников (галактик, квазаров) - понижение частот излучения, свидетельствующее об удалении этих источников друг от друга и, в частности, от нашей Галактики, т. е. о нестационарности (расширении) Метагалактики. ʼʼКрасное смещениеʼʼ для галактик было обнаружено американским астрономом В. Слайфером в 1912-14; в 1929 Э. Хаббл открыл, что для далёких галактик оно больше, чем для близких, и возрастает приблизительно пропорционально расстоянию. Это позволило выявить закон взаимного удаления (разбегания) галактик. Закон Хаббла в данном случае записывается в форме

u = Hr ; (3.14)

(u – скорость удаления галактики, r – расстояние до нее, Н - постоянная Хаббла). Определяя по величинœе ʼʼкрасного смещенияʼʼ скорость удаления галактики можно рассчитать расстояние до нее. Для определœения расстояний до внегалактических объектов по этой формуле нужно знать численное значение постоянной Хаббла Н. Знание этой постоянной очень важно и для космологии: с ней связано определœение ʼʼвозрастаʼʼ Вселœенной. В начале семидесятых годов двадцатого века для постоянной Хаббла принято значение Н = (3 – 5)*10 -18 с -1 , обратная величина Т = 1/Н = 18 млрд. лет. Гравитационное ʼʼкрасное смещениеʼʼ является следствием замедления темпа времени и обусловлено гравитационным полем (эффект общей теории относительности). Это явление принято называть также эффектом Эйнштейна или обобщённым эффектом Доплера. Оно наблюдалось начиная с 1919 сначала в излучении Солнца, а затем и некоторых других звёзд. В ряде случаев (к примеру, при гравитационном коллапсе) должно наблюдаться ʼʼкрасное смещениеʼʼ обоих типов.

24-25.Волновые явления. Распространение механических волн. Длина волны. Скорость распространения волны. Решение задач.

учитель физики

Раздольненской ОШ І - ІІІ ступеней

управления образования администрации Старобешевского района

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.

Механические волны могут распространяться в упругой среде .

Упругой, называется среда, которая состоит из большого количества частиц, взаимодействующих между собой силами 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.

Рисунок «Продольные и поперечные волны»

Длина волны. Скорость распространения волн

Урок посвящен теме «Характеристики волнового движения». Для начала вспомним, что механическая волна – это колебание, которое распространяется с течением времени в упругой среде. Раз это колебание, волне будут присущи все характеристики, которые соответствуют колебанию: амплитуда, период колебания и частота. Кроме этого, у волны появляются свои особые характеристики. Одной из таких характеристик является длина волны . Обозначается длина волны греческой буквой l (лямбда, или говорят «ламбда») и измеряется в метрах.

А – амплитуда [м]

Т – период [с]

ν – частота [Гц]

l – длина волны [м]

Что такое длина волны?

Длина волны – это наименьшее расстояние между частицами, совершающими колебание с одинаковой фазой.

Рис. 1. Длина волны, амплитуда волны

Говорить о длине волны в продольной волне сложнее, потому что там пронаблюдать частицы, которые совершают одинаковые колебания, гораздо труднее. Но и там есть характеристика – длина волны , которая определяет расстояние между двумя частицами, совершающими одинаковое колебание, колебание с одинаковой фазой.

Следующая характеристика – это скорость распространения волны (или просто скорость волны). Скорость волны обозначается, так же как и любая другая скорость, буквой V и измеряется в м/с. Как наглядно объяснить, что такое скорость волны? Проще всего это сделать на примере поперечной волны. Представьте себе летящую над гребнем волны чайку. Ее скорость полета над гребнем и будет скоростью самой волны.

Рис. 2. К определению скорости волны

Скорость волны зависит от того, какова плотность среды, каковы силы взаимодействия между частицами этой среды. Запишем связь между скоростью волны, длиной волны и периодом волны: .Формула «Длина волны»

Скорость можно определить как отношение длины волны, расстояние, пройденное волной за 1 период, к периоду колебания частиц среды, в которой распространяется волна. Кроме этого, вспомним, что . Тогда имеем еще одно соотношение для скорости волны: V = lν.

Важно заметить, что

при переходе волны из одной среды в другую изменяются ее характеристики: скорость движения волн, длина волны. А вот частота колебания остается прежней.

Волны в природе и технике

Интерактивная задача

Прежде, чем начать решение задач, ответим на вопросы:

1. В чем состоит основное свойство всех волн независимо от их природы?
2. Почему в газах и жидкостях не могут существовать поперечные волны?
3. Какое тело может создавать в окружающей среде звуковую волну?

Решить задачи на применение вышеизученного материала:

При решении задач скорость звука в воздухе считается заданной и равной 330 м/с.
1. В океанах длина волны достигает 300 м, а период 13,5 с. Определите скорость распространения такой волны.
2. Определите длину звуковой волны при частоте 200 Гц.
3. Наблюдатель услышал звук артиллерийского выстрела через 6 с после того, как увидел вспышку. На каком расстоянии от него находилось орудие?
4. Длина звуковых волн, излучаемых скрипкой. может изменяться от 23 мм до 1,3 м. Каков диапазон частот скрипки?
5. Расстояние до преграды, отражающей звук, равно 66 м. Через сколько времени человек услышит эхо?

Можно предложить ещё ряд задач и решить их с помощью планшета, например Р №№ 439-444.

Домашнее задание: Параграфы 42-44, упр 6, стр 129.

>> Волновые явления

§ 42 ВОЛНОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ

Каждый из нас наблюдал, как от камня, брошенного на спокойную поверхность пруда или озера, кругами разбегаются волны (рис. 6.1). Многие следили за морскими волнами, набегающими на берег. Все читали рассказы о морских путешествиях, о чудовищной силе морских волн, легко раскачивающих большие корабли. Однако при наб.тюдении этих явлений не всем известно, что звук всплеска воды доносится до нашего уха волнами в том воздухе, которым мы дышим, что свет, с помощью которого мы зрительно воспринимаем окружающее, тоже представляет собой волновое движение.

Волновые процессы чрезвычайно широко распространены в природе . Различны физические причины, вызывающие волновые движения. Но, подобно колебаниям, все виды волн описываются количественно одинаковыми или почти одинаковыми законами. Многие трудные для понимания вопросы становятся более ясными, если сравнивать различные волновые явления.

Что же называют волной? Почему возникают волны? Отдельные частицы любого тела -твердого, жидкого или газообразного - взаимодействуют друг с другом. Поэтому если какая-либо частица тела начинает совершать колебательные движения, то в результате взаимодействия между частицами это движение начинает с некоторой скоростью распространяться во все стороны.

Волна - это колебания, распространяющиеся в пространстве с течением времени.

В воздухе, твердых телах и внутри жидкостей механические волны возникают благодаря действию сил упругости. Эти силы осуществляют связь между отдельными частями тела. Образование волн на поверхности воды вызывают сила тяжести и сила поверхностного натяжения.

Наиболее отчетливо главные особенности волнового движения можно увидеть, если рассматривать волны на поверхности воды. Это могут быть, например, волны, которые представляют собой бегущие вперед округлые валы. Расстояния между валами, или гребнями, примерно одинаковы. Однако если на поверхности воды, по которой бежит волна, находится легкий предмет, например лист с дерева, то он не будет увлекаться вперед волной, а начнет соверпгать колебания вверх и вниз, оставаясь почти на одном месте.

При возбуждении волны происходит процесс распространения колебаний, но не перенос вещества. Возникшие в каком-то месте колебания воды, например от брошенного камня, передаются соседним участкам и постепенно распространяются во все стороны, вовлекая в колебательные движения все новые и новые частицы среды. Течение же воды не возникает, перемещаются лишь локальные формы ее поверхности.

Скорость волны. Важнейшей характеристикой волны является скорость ее распространения. Волны любой природы не распространяются в пространстве мгновенно. Их скорость конечна. Можно себе, например, представить, что над морем летит чайка, причем так, что она все время оказывается над одним и тем же гребнем волны. Скорость волны в этом случае равна скорости чайки. Волны на поверхности воды удобны для наблюдения, так как скорость их распространения сравнительно невелика.

Поперечные и продольные волны. Нетрудно также наблюдать волны, распространяющиеся вдоль резинового шнура. Если один конец шнура закрепить и, слегка натянув шнур рукой, привести другой его конец в колебательное движение, то по шнуру побежит волна (рис. 6.2).

Скорость волны будет тем больше, чем сильнее натянут шнур. Волна добежит до точки закрепления шнура, отразится и побежит назад. В этом опыте при распространении волны происходят изменения формы шнура. Каждый участок шнура колеблется относительно своего неизменного положения равновесия.

Обратим внимание на то, что при распространении волны вдоль шнура колебания совершаются в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны. Такие волны называются поперечными (рис. 6.3). В поперечной волне смещения отдельных участков среды происходят в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны. При этом возникает упругая деформация , называемая деформацией сдвига. Отдельные слои вещества сдвигаются относительно друг друга. При деформации сдвига в твердом теле возникают силы упругости, стремящиеся вернуть тело в исходное состояние. Именно силы упругости и вызывают колебания частиц среды 1 .

Сдвиг слоев относительно друг друга в газах и жидкостях не приводит к появлению сил упругости. Поэтому в газах и жидкостях не могут существовать поперечные волны. Поперечные волны возникают в твердых телах.

Но колебания частиц среды могут происходить и вдоль направления распространения волны (рис. 6.4). Такая волна называется продольной. Продольную волну удобно наблюдать на длинной мягкой пружине большого диаметра. Ударив ладонью по одному из концов пружины (рис. 6.5, а), можно заметить, как сжатие (упругий импульс) бежит по пружине. С помощью серии последовательных ударов можно возбудить в пружине волну, представляющую собой последовательные сжатия и растяжения пружины, бегущие друг за другом (рис. 6.5, б).

Итак, в продольной волне происходит деформация сжатия. Силы упругости, связанные с этой деформацией, возникают как в твердых телах, так и в жидкостях и газах.

1 Когда мы говорим о колебаниях частиц среды, то имеем в виду колебания малых объемов среды, а не колебания молекул.

Эти силы вызывают колебания отдельных участков среды. Поэтому продольные волны могут распространяться во всех упругих средах. В твердых телах скорость продольных волн больше скорости поперечных.

Это учитывается при определении расстояния от очага землетрясения до сейсмической станции. Вначале на станции регистрируется продольная волна, так как ее скорость в земной коре больше, чем поперечной. Спустя некоторое время регистрируется поперечная волна, возбуждаемая при землетрясении одновременно с продольной. Зная скорости продольных и поперечных волн в земной коре и время запаздывания поперечной волны, можно определить расстояние до очага землетрясения.

Энергия волны. При распространении механической волны движение передается от одних частиц среды к другим. С передачей движения связана передача энергии . Основное свойство всех волн независимо от их природы состоит в переносе ими энергии без переноса вепцества. Энергия поступает от источника, возбуждающего колебания начала шнура, струны и т. д., и распространяется вместе с волной. Через любое поперечное сечение, например шнура, передается энергия. Эта энергия слагается из кинетической энергии движения частиц среды и потенциальной энергии их упругой деформации. Постепенное уменьшение амплитуды колебаний частиц при распространении волны связано с превращением части механической энергии во внутреннюю.

Волна - это колебания, распространяющиеся в пространстве с течением времени. Скорость волны конечна. Волна переносит энергию, но не переносит вещество среды.

1. Какие волны называются поперечными, а какие продольными!
2. Может ли в воде распространяться поперечная волна!

Мякишев Г. Я., Физика. 11 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений: базовый и профил. уровни / Г. Я. Мякишев, Б. В. Буховцев, В. М. Чаругин; под ред. В. И. Николаева, Н. А. Парфентьевой. - 17-е изд., перераб. и доп. - М. : Просвещение, 2008. - 399 с: ил.

Планирование физике, материалы по физике 11 класса скачать , учебники онлайн

Урок 55.

Тема: Волновые явления. Длина волны.

Скорость распространения волны.

Цели урока: закрепить навыки решения задач по теме «Механические колебания»;познакомить обучающихся с условиями возникновения волн и их видами; изучить характеристики механических волн; сформировать у обучающихся правильное представление о волновом движении частиц среды, используя наглядность; при организации закрепления учебного материала выделить необходимые для заучивания положения, организовать конспектную запись в тетрадях учащихся (дома по конспекту); формировать навыки решения задач по данной теме; развивать у учеников память, культуру речи, логическое и пространственное мышление; воспитывать чувства взаимопомощи, самостоятельность при достижении цели, трудолюбие.

Тип урока: комбинированный.

Ход урока.

1. Организационный момент.

2. Повторение ранее изученного материала.

Мозговой штурм

3. Мотивация учебной и познавательной деятельности.

1.Зреет рожь над жаркой нивой
И от нивы и до нивы
Гонит ветер прихотливый
Золотые переливы.
(А. Фет)

2.Куда ни погляди –
Пшеница
За валом вал ползет на взгорье,
До горизонта без границы
Бушует солнечное море.
(Ю. Оболенцев)

О каких золотых переливах пишет Афанасий Фет и что за солнечное море бушует в стихотворении Юрия Оболенцева? (механические волны)

4. Определение темы урока.

Ассоциативный куст

Запишите тему урока: «Волновые явления. Длина волны. Скорость распространения волны».

5. Изложение нового материала.

Механическая волна – это колебания, которые перемещаются в пространстве и времени в упругой среде

Козьма Прутков писал: «Бросая в воду камешки, смотри на круги, ими образуемые; иначе такое бросание будет пустою забавою».

Эти круги (в виде чередующихся гребней и впадин) являются примером возмущения спокойной до этого поверхности воды.

Возникнув в одном месте, они сразу же начинают распространяться во все стороны. Это и есть волны.

Если в аквариуме или в ванной болтать рукой, тоже образуются волны. Источником этих волн является наша рука. Это самый простой вид колебаний волн, возникающие на поверхности жидкости, и расходящиеся из места возмущения в виде концентрических окружностей.

Волны на поверхности жидкости существуют благодаря действию на частицы жидкости сил тяжести и сил межмолекулярного взаимодействия.

Наиболее распространёнными среди волн этого типа являются морские волны, т. е. волны на поверхности морей и океанов.

Английский учёный А. Эддингтон писал, что «путешествующему на корабле кажется, что океан состоит из волн, а не из воды».

Первые признаки волн начинают появляться после того, как скорость ветра, действующего на поверхность воды, достигает 1,1 м/с. По мере увеличения ветра, высота гребней увеличивается.

Высота волн в Балтийском море доходит до 5 м, в Атлантическом океане – до 9 м, а в водах южного полушария, где водное кольцо охватывает всю Землю, наблюдались волны высотой 12 – 13 м, перемещающиеся со скоростью 20м/с.

Когда морские волны доходят до берега, то при резком изменении глубины могут наблюдаться чрезвычайно высокие взбросы воды. При этом кинетическая энергия огромных масс воды передаётся встречным (береговым) препятствиям, которые могут не выдержать напора воды и разрушиться. Разрушительная сила прибоя достигает больших значений. Так, например, в Шетландских островах на северо-востоке Шотландии можно найти обломки скал массой до 13 т, которые были выброшены на высоту около 20 м. А в Бильбао (Испания) прибоем был перевёрнут и сброшен с места бетонный массив в 1700 т.

Наряду с волнами на поверхности жидкости в механике изучают так называемые упругие волны – возмущения, распространяющиеся в различных средах благодаря действию в них сил упругости.

Возникновение упругой волны легко продемонстрировать на примере колебаний в гибком шнуре.

Демонстрация: гибкий шнур (скакалка). Один конец шнура жёстко укрепляют, а свободный конец хлыстовым движением перемещают в вертикальной плоскости. По шнуру начинает бежать упругая волна. В данном случае источником возмущения упругой среды является рука.

Волна возникает лишь тогда, когда вместе с внешним возмущением появляются силы в среде, противодействующие ему. Обычно это силы упругости.

Механические волны возникают и перемещаются лишь в упругих средах. Такие среды достаточно плотные и соударение частиц в них напоминает упругое соударение шаров. Это позволяет частицам в волне передавать избыток энергии соседним частицам. Частица, передав часть энергии, возвращается в исходное положение. Этот процесс продолжается дальше. Таким образом, вещество в волне не перемещается. С передачей движения волной связана передача энергии без переноса вещества. Частицы среды совершают колебания около своих положений равновесия.

В зависимости от того, в каком направлении частицы совершают колебания по отношению к направлению перемещения волны, различают продольные и поперечные волны.

В продольной волне частицы совершают колебания в направлениях, совпадающих с перемещением волны. Такие волны возникают в результате сжатия – растяжения. Следовательно, они могут возникнуть и в газах, и в твёрдых телах, и в жидкостях.

В поперечной волне частицы совершают колебания в плоскостях, перпендикулярных направлению перемещения волны. Такие волны возникают в результате сдвига слоев среды. Следовательно, они могут возникнуть только в твёрдых телах, т.к. в газах и жидкостях такой вид деформации невозможен.

Волны на поверхности воды (или любой другой жидкости) не являются ни продольными, ни поперечными. Они имеют сложный, продольно – поперечный характер.

Частицы жидкости движутся либо по окружностям, либо по вытянутым в горизонтальном направлении эллипсам. Круговое движение частиц на поверхности воды сопровождаются их медленным перемещением в направлении распространения волны. Именно этим объясняются все те «дары моря», которые можно обнаружить на берегу.

Любой физический процесс всегда описывается рядом характеристик, значения которых позволяют более глубоко понимать содержание процесса. Волновые явления в упругих средах также имеют определённые характеристики. С некоторыми мы знакомились при изучении механических колебаний.

Запись на доске:

А – амплитуда колебаний в волне (м)

(обучающиеся самостоятельно называют эту и последующие характеристики волны)

Т – период колебаний в волне (с)

ν – частота колебаний в волне (Гц)

Скорость волны (м/с

Каждая волна распространяется с какой–то скоростью.

Под скоростью волны понимают скорость распространения возмущения. Скорость волны определяется свойствами среды, в которой эта волна распространяется. При переходе из одной среды в другую её скорость изменяется.

– длина волны (м)

Выбрав направление распространения волны за направление оси ОХ и обозначив через У координату колеблющихся в волне частиц, можно построить график волны.

Длиной волны называется расстояние, на которое распространяется волна за время, равное периоду колебаний в ней.

Т.к. = const для данной среды, то

Из графика видно, что длина волны – это расстояние между двумя соседними гребнями или двумя впадинами.

Значит, можно записать, что
, а следовательно

При переходе волны из одной среды в другую её частота не изменяется, меняется лишь скорость и длина волны.

К сожалению, часто мы слышим о землетрясениях.

Волны, которые образуются в земной коре при различных тектонических процессах – называются сейсмическими.

6. Закрепление изученного материала.

Что может являться источником волн?

Происходит ли в волне перенос энергии? А вещества?

На какие виды делят механические волны в зависимости от того, в каком

направлении частицы совершают колебания?

Могут ли поперечные волны распространяться в жидкости или газе? А почему?

Где могут возникать продольные волны? А поперечные?

С какими характеристиками волн мы сегодня познакомились?

Какая из них при переходе механической волны из одной среды в другую не

изменяется?

Задание. Определить по графику характеристики волн (какие возможно). Определить

длину волны, если известно, что скорость её распространения 20 м/с.

Ответ: А = 0,1 м; Т = 0,4 с; ν = 2,5 Гц; 8 м.

Задача 1. Расстояние между ближайшими гребнями волны в море 20 м. С какой скоростью распространяется волна, если период колебаний частиц в волне 10 с?

Решение:

Задача 2. Длина волны равна 2 м, а скорость её распространения 400 м/с. Определить, сколько полных колебаний совершает эта волна за 0,1 с.

Решение:

7. Подведение итогов урока. Оценивание учащихся.

8. Домашнее задание: Белага §§ 14, 15 (читать), выучить конспект, решить задачи

Для желающих: подготовить доклад или презентацию на одну из тем:

«Землетрясения», «Цунами», «Животные – индикаторы

приближающегося землетрясения».

Задача 1. Рыболов заметил, что за 5с поплавок совершил на волнах 10 колебаний, а

расстояние между соседними горбами волн 1м. Какова скорость

распространения волн?

Задача 2. Частота колебаний в волне 10000Гц, а длина волны 2 мм. Определить скорость

щей противоположный конец растя- | нутого шнура (рис. 4.2). | Если возмущение среды вызывает- | ся периодической внешней силой, меняющейся со временем по гармоническому закону, то вызываемые ею волны называют гармоническими. В этом случае в каждой точке среды происходят гармонические колебания с частотой внешнего воздействия. Мы будем преимущественно рассматривать гармонические волны или волны, близкие к гармоническим. Это наиболее простой вид волнового движения. Исследование гармонических волн имеет первостепенное значение при построении теории любого волнового движения.
Главная особенность волнового движения

Наглядное представление об основных особенностях волнового движения можно получить, если рассматривать волны на поверхности воды. Волны имеют вид бегущих вперед округлых валов (рис. 4.3). Расстояния между валами, или гребнями, примерно одинаковы. Однако если бросить в воду легкий предмет, например спичечный коробок, то он не будет увле- каться вперед волной, а начнет совершать колебания вверх и вниз, оставаясь почти точно на одном месте.
При распространении волны происходит передвижение формы (перемещение определенного состояния колеблющейся среды), но не перенос вещества, в котором распространяется волна. Возникшие в одном месте возмущения воды, например от брошенного камня, передаются соседним участкам и постепенно распространяются во все стороны. Течения же воды не возникает: перемещается лишь форма ее поверхности.
Скорость волны
Важнейшей характеристикой волны является скорость ее распространения. Волны любой природы не распространяются в пространстве мгновенно. Их скорость конечна. Можно себе представить, например, что над морем летит чайка так, что она все время оказывается над одним и тем же греб-нем волны. Скорость волны в этом случае будет равна скорости чайки. Волны на поверхности воды удобны для наблюдения по той причине, что скорость их распространения невелика.
Поперечные и продольные волны
Нетрудно ТЭ.КЖ6 наблюдать волны, распространяющиеся вдоль резинового шнура. Если один конец шнура закрепить и, слегка натянув шнур рукой, привести другой его конец в колебательное движение, то по шнуру побежит волна (рис. 4.4). Скорость волны будет тем больше, чем сильнее натянут шнур. Волна добежит до точки закрепления, отразится и побежит назад. Здесь при распространении волны происходят изменения формы шнура. Каждый же участок шнура колеблется относительно своего неизменного положения равновесия. Обратите внимание на то, что при распространении волны вдоль шнура отдельные его участки совершают колебания в направлении, перпендикулярном направлению распростра- 161
6 - 5654
Рис. 4.4
Направление колебаний
распространения волны

Направление
Рис. 4.5 нения волны (рис. 4.5). Такие волны называются поперечными.
Но не любая волна является поперечной. Колебания могут происходить и вдоль направления распространения волны (рис. 4.6). Тогда волна называется продольной. Продольную волну удобно наблюдать с помощью длинной мягкой пружины большого диаметра. Ударив ладонью по одному из концов пружины (рис. 4.7, а), можно заметить, как сжатие (упру-гий импульс) бежит по пружине. С помощью серии последовательных ударов можно возбудить в пружине волну, представляющую собой последовательные сжатия и растяжения пружины, бегущие друг за другом (рис. 4.7,6). Колебания любого витка пружины происходят в направлении распространения волны.
Из механических волн наибольшее значение имеют звуковые волны. Однако исследование звуковых волн представляет собой более сложную задачу, чем исследование волй вдоль шнура или пружины. Мы займемся ими детально в дальнейшем.
Энергия волны
При распространении волны происходит передача движения от одного участка тела к другому. С передачей движения волной связана передача энергии без переноса вещества. Энергия поступает от источника, возбуждающего колебания начала шнура, струны и т. д., и распространяется вместе с волной. Эта энергия, например, в шнуре слагается из кинетической Направление
Направление колебаний распространения волны
Рис. 4.7
дшшшшр
б) энергии движения участков шнура и потенциальной энергии его упругой деформации.
Энергия волны от брошенного в воду камня увеличивает кинетическую энергию поплавка на поверхности воды, может увеличить и потенциальную энергию щепки, плавающей у бе-рега.
При распространении волны происходит постепенное уменьшение амплитуды колебаний из-за превращения части механической энергии во внутреннюю. Если этими потерями можно пренебречь, то через поперечное сечение, например шнура, будет проходить в единицу времени одно и то же количество механической энергии.
Электромагнитные волны
Механические волны распространяются в веществе: газе, жидкости или твердом теле. Существует, однако, еще один вид волн, которые не нуждаются в каком-либо веществе для своего распространения. Это электромагнитные волны, к которым, в частности, относятся радиоволны и свет. Электромагнитное поле может существовать в вакууме (в пустоте), т. е. в пространстве, не содержащем атомов. Несмотря на всю необычность этих волн, на их резкое отличие от механических волн, электромагнитные волны при своем распространении ведут себя подобно механическим. В частности, электромагнитные волны также распространяются с конечной скоростью и несут с собой энергию. Это важнейшие свойства всех видов волн.