Где не распространяются механические волны. Механические волны
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.
С волнами любого происхождения при определённых условиях можно наблюдать четыре ниже перечисленных явления, которые мы рассмотрим на примере звуковых волн в воздухе и волн на поверхности воды.
Отражение волн. Проделаем опыт с генератором тока звуковой частоты, к которому подключён громкоговоритель (динамик), как показано на рис. «а». Мы услышим свистящий звук. На другом конце стола поставим микрофон, соединённый с осциллографом. Поскольку на экране возникает синусоида с малой амплитудой, значит, микрофон воспринимает слабый звук.
Расположим теперь сверху над столом доску, как показано на рис.«б». Поскольку амплитуда на экране осциллографа возросла, значит, звук, доходящий до микрофона, стал громче. Этот и многие другие опыты позволяют утверждать, что механические волны любого происхождения обладают способностью отражаться от границы раздела двух сред.
Преломление волн. Обратимся к рисунку, где изображены волны, набегающие на прибрежную мель (вид сверху). Серо-жёлтым цветом изображён песчаный берег, а голубым – глубокая часть моря. Между ними есть песчаная мель – мелководье.
Волны, бегущие по глубокой воде, распространяются в направлении красной стрелки. В месте набегания на мель волна преломляется, то есть изменяет направление распространения. Поэтому синяя стрелка, указывающая новое направление распространения волны, расположена иначе.
Это и многие другие наблюдения показывают, что механические волны любого происхождения могут преломляться при изменении условий распространения, например, на границе раздела двух сред.
Дифракция волн. В переводе с латинского «дифрактус» означает «разломанный». В физике дифракцией называется отклонение волн от прямолинейного распространения в одной и той же среде, приводящее к огибанию ими препятствий.
Взгляните теперь на другой рисунок волн на поверхности моря (вид с берега). Волны, бегущие к нам издалека, заслоняются большой скалой слева, но при этом частично огибают её. Скала меньших размеров справа и вовсе не является преградой для волн: они полностью её огибают, распространяясь в прежнем направлении.
Опыты показывают, что дифракция наиболее отчётливо проявляется, если длина набегающей волны больше размеров препятствия. Позади него волна распространяется так, как будто препятствия не было.
Интерференция волн. Мы рассмотрели явления, связанные с распространением одной волны: отражение, преломление и дифракцию. Рассмотрим теперь распространение с наложением друг на друга двух или более волн – явление интерференции (от лат. «интер» – взаимно и «ферио» – ударяю). Изучим это явление на опыте.
К генератору тока звуковой частоты присоединим два динамика, соединённые параллельно. Приёмником звука, как и в первом опыте, будет микрофон, подключённый к осциллографу.
Начнём двигать микрофон вправо. Осциллограф покажет, что звук становится то слабее, то сильнее, несмотря на то, что микрофон удаляется от динамиков. Вернём микрофон на среднюю линию между динамиками, а затем будем двигать его влево, снова удаляя от динамиков. Осциллограф вновь покажет нам то ослабление, то усиление звука.
Этот и многие другие опыты показывают, что в пространстве, где распространяются несколько волн, их интерференция может приводить к возникновению чередующихся областей с усилением и ослаблением колебаний.
Волны. Общие свойства волн.Волна - это явление распространения в пространстве с течением времени изменения (возмущения) физической величины переносящее с собой энергию.
Независимо от природы волны перенос энергии осуществляется без переноса вещества; последнее может возникнуть лишь как побочный эффект. Перенос энергии - принципиальное отличие волн от колебаний, в которых происходят лишь «местные» преобразования энергии. Волны же, как правило, способны удаляться на значительные расстояния от места своего возникновения. По этой причине волны иногда называют «колебанием, оторвавшимся от излучателя ».
Волны можно классифицировать
По своей природе:
Упругие волны - волны, распространяющиеся в жидких, твёрдых и газообразных средах за счёт действия упругих сил.
Электромагнитные волны - распространяющееся в пространстве возмущение (изменение состояния) электромагнитного поля.
Волны на поверхности жидкости - условное название разнообразных волн, возникающих на поверхности раздела между жидкостью и газом или жидкостью и жидкостью. Волны на воде различаются принципиальным механизмом колебания (капиллярный, гравитационный и т. д.), что приводит к различным законам дисперсии и, как следствие, к различному поведению этих волн.
По отношению к направлению колебаний частиц среды:
Продольные волны - частицы среды колеблются параллельно по направлению распространения волны (как, например, в случае распространения звука).
Поперечные волны - частицы среды колеблются перпендикулярно направлению распространения волны (электромагнитные волны, волны на поверхностях разделения сред).
а - поперечные; б - продольные.
Волны смешанного типа.
По геометрии фронта волны:
Волновая поверхность (фронт волны) - геометрическое место точек, до которых дошло возмущение к данному моменту времени. В однородной изотропной среде скорость распространения волны одинакова по всем направлениям, значит, все точки фронта колеблются в одной фазе, фронт перпендикулярен направлению распространения волны, значения колеблющейся величины во всех точках фронта одинаковы.
Плоская волна - плоскости фаз перпендикулярны направлению распространения волны и параллельны друг другу.
Сферическая волна - поверхностью равных фаз является сфера.
Цилиндрическая волна - поверхность фаз напоминает цилиндр.
Спиральная волна - образуется в случае, если сферический или цилиндрический источник/источники волны в процессе излучения движется по некоторой замкнутой кривой.
Плоская волна
Волна называется плоской, если ее волновые повеpхности пpедставляют собой паpаллельные дpугдpугу плоскости, пеpпендикуляpные фазовой скоpости волны Если кооpдинатную ось х напpавить вдоль фазовой скоpости волны v, то вектоpy, описывающий волну, будет пpедставлять собой функцию только двух пеpеменных: кооpдинаты х и вpемени t (y = f(x,t)).
Рассмотpим плоскую монохроматическую (одна частота)синусоидальную волну, распространяющуюся в однородной среде без затухания вдоль оси X. Если источник (бесконечная плоскость) колеблется по закону y=, то до точки с координатой x колебание дойдет с запозданием на время .следовательно,
,где
Фазовая скоpость волны – скорость движения волновой поверхности (фронта),
– амплитуда волны – модуль максимального отклонения изменяющейся величины от положения равновесия,
– циклическая частота, T– период колебания, – частота волны(аналогично колебаниям)
k- волновое число, имеет смысл пространственной частоты,
Еще одной характеристикой волны является длина волны м, это расстояние, на которое волна распространяется за время одного периода колебания , онаимеетсмысл пространственного периода, это кратчайшее расстояние между точками, колеблющимися в одной фазе.
y
Длина волны связана с волновым числом соотношением , что аналогично временному соотношению
Волновое число связано с циклической частотой и скоростью распространения волны
x
y
y
На рисунках представлены осциллограмма (а) и моментальный снимок (б) волны с указанными временным и пространственным периодами. В отличие от стационарного колебания волны имеют две основные характеристики: временну́ю периодичность и пространственную периодичность.
Общие свойства волн:
Волны переносят энергию.
2. Волны оказывают давление на тела (обладают импульсом).
3. Скорость волны в среде зависит от частоты волны – дисперсия.Таким образом, волны разных частот распространяются в одной и той же среде с различной скоростью (фазовая скорость).
4. Волны огибают препятствия – дифракция.
Дифракция наблюдается, если размер препятствия сравним с длиной волны.
5. На границе раздела двух сред волны отражаются и преломляются.
Угол падения равен углу отражения, а отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух данных сред.
6. При наложении когерентных волн (разность фаз этих волн в любой точке постоянна во времени) они интерферируют – образуется устойчивая картина минимумов и максимумов интерференции.
Волны и возбуждающие их источники называются когерентными, если разность фаз волн не зависит от времени. Волны и возбуждающие их источники называются некогерентными, если разность фаз волн изменяется с течением времени.
Интерферировать могут только волны, имеющие одинаковую частоту, в которых колебания совершаются вдоль одного и того же направления (т. е. когерентные волны). Интерференция бывает стационарной и нестационарной. Стационарную интерференционную картину могут давать только когерентные волны. Например, две сферические волны на поверхности воды, распространяющиеся от двух когерентных точечных источников, при интерференции дадут результирующую волну. Фронтом результирующей волны будет сфера.
При интерференции волн не происходит сложения их энергий. Интерференция волн приводит к перераспределению энергии колебаний между различными близко расположенными частицами среды. Это не противоречит закону сохранения энергии потому, что в среднем, для большой области пространства, энергия результирующей волны равна сумме энергий интерферирующих волн.
При наложении некогерентных волн средняя величина квадрата амплитуды результирующей волны равна сумме квадратов амплитуд накладывающихся волн. Энергия результирующих колебаний каждой точки среды равна сумме энергий ее колебаний, обусловленных всеми некогерентными волнами в отдельности.
7. Волны поглощаются средой. По мере удаления от источника амплитуда волны уменьшается, так как энергия волны частично передается среде.
8. Волны рассеиваются в неоднородной среде.
Рассеивание - возмущения волновых полей, вызываемые неоднородностями среды и помещёнными в эту среду рассеивающими объектами. Интенсивность рассеяния зависит от размера неоднородностей и частоты волны.
Механические волны. Звук. Характеристика звука .
Волна - возмущение, распространяющееся в пространстве.
Общие свойства волн:
переносят энергию;
обладают импульсом (оказывают давление на тела);
на границе двух сред отражаются и преломляются;
поглощаются средой;
дифракция;
интерференция;
дисперсия;
скорость волн зависит от среды, через которую проходят волны.
Механические(упругие) волны.
Частный случай механических волн - волны на поверхности жидкости , волны, возникающие и распространяющиеся по свободной поверхности жидкости или на поверхности раздела двух несмешивающихся жидкостей. Они образуются под влиянием внешнего воздействия, в результате которого поверхность жидкости выводится из равновесного состояния. При этом возникают силы, восстанавливающие равновесие: силы поверхностного натяжения и тяжести.
Механические волны бывают двух видов
Продольные волны, сопровождаемые деформациями растяжения и сжатия, могут распространяться в любых упругих средах: газах, жидкостях и твердых телах. Поперечные волны распространяются в тех средах, где появляются силы упругости при деформации сдвига, т. е. в твердых телах.
Значительный интерес для практики представляют простые гармонические или синусоидальные волны. Уравнение плоской синусоидальной волны имеет вид:
– так называемое волновое число ,
– круговая частота ,
А – амплитуда колебания частиц.
На рисунке изображены «моментальные фотографии» поперечной волны в два момента времени: t и t + Δt. За время Δt волна переместилась вдоль оси OX на расстояние υΔt. Такие волны принято называть бегущими.
Длиной волны λ называют расстояние между двумя соседними точками на оси OX, колеблющимися в одинаковых фазах. Расстояние, равное длине волны λ, волна пробегает за периодТ, следовательно,
λ = υT, где υ – скорость распространения волны.
Для любой выбранной точки на графике волнового процесса (например, для точки A) с течением времени t изменяется координата x этой точки, а значение выражения ωt – kx не изменяется. Через промежуток времени Δt точка A переместится по оси OX на некоторое расстояние Δx = υΔt. Следовательно: ωt – kx = ω(t + Δt) – k(x + Δx) = const или ωΔt = kΔx.
Отсюда следует:
Таким образом, бегущая синусоидальная волна обладает двойной периодичностью – во времени и пространстве. Временной период равен периоду колебаний T частиц среды, пространственный период равен длине волны λ. Волновое число является пространственным аналогом круговой частоты .
Звук.
Любой колебательный процесс описывается уравнением. Выведено оно и для звуковых колебаний:
Основные характеристики звуковых волн
|
Субъективное восприятие звука (громкость, высота, тембр) |
Объективные физические характеристики звука (скорость, интенсивность, спектр) |
Скорость звука в любой газообразной среде вычисляется по формуле:
β - адиабатическая сжимаемость среды,
ρ - плотность.
Применение звука
Эхолокаторы, используемые под водой, называются гидролокаторами или сонарами (название sonar образован из начальных букв трех английских слов: sound - звук; navigation - навигация; range - дальность). Сонары незаменимы при исследованиях морского дна (его профиля, глубины), для обнаружения и исследования различных объектов, движущихся глубоко под водой. При их помощи могут быть легко обнаружены как отдельные большие предметы или животные, так и стаи небольших рыб или моллюсков.
Волны ультразвуковых частот широко используются в медицине в диагностических целях. УЗИ-сканеры позволяют исследовать внутренние органы человека. Ультразвуковое излучение менее вредно для человека, чем рентгеновское.
Электромагнитные волны.
Их свойства.
Электромагнитная волна - это электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве с течением времени.
Электромагнитные волны могут возбуждаться только ускоренно движущимися зарядами.
Существование электромагнитных волн было теоретически предсказано великим английским физиком Дж. Максвеллом в 1864 году. Он предложил новую трактовку закона электромагнитной индукции Фарадея и развил его идеи дальше.
Всякое изменение магнитного поля порождает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле, изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле.
Рисунок 1. Переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле и наоборот
Свойства электромагнитных волн на основе теории Максвелла:
Электромагнитные волны поперечны – векторы и перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения.
Рисунок 2. Распространение электромагнитной волны
Электрическое и магнитное поля в бегущей волне изменяются в одной фазе.
Векторыв бегущей электромагнитной волне образуют так называемую правую тройку векторов.
Колебания векторов ипроисходят синфазно: в один и тот же момент времени, в одной точке пространства проекции напряженностей электрического и магнитного полей достигают максимума, минимума или нуля.
Электромагнитные волны распространяются в веществе с конечной скоростью
Где - диэлектрическая и магнитная проницаемость среды (от них зависит скорость распространения электромагнитной волны в среде),
Электрическая и магнитная постоянные.
Скорость электромагнитных волн в вакууме
Плотностью потокаэлектромагнитной энергии
или
интенсивностью
J
называют электромагнитную энергию, переносимую волной за единицу времени через поверхность единичной площади:
,
Подставляя сюда выражения для , и υ, и учитывая равенство объемных плотностей энергии электрического и магнитного полей в электромагнитной волне, можно получить:
Электромагнитные волны могут быть поляризованы.
Так же электромагнитные волны обладают всеми основными свойствами волн : переносят энергию, обладают импульсом, они отражаются и преломляются на границе раздела двух сред, поглощаются средой, проявляют свойства дисперсии, дифракции и интерференции.
Опыты Герца (экспериментальное обнаружение электромагнитных волн)
Впервые электромагнитные волны были экспериментально изучены
Герцем в 1888г. Он разработал удачную конструкцию генератора электромагнитных колебаний (вибратор Герца) и метод обнаружения их способом резонанса.
Вибратор состоял из двух линейных проводников, на концах которых имелись металлические шарики, образующие искровой промежуток. При подаче от индукционной к тушки высокого напряжения в промежутке проскакивала искра, она закорачивала промежуток. За время ее горения, в контуре совершалось большое количество колебаний. Приемник (резонатор) состоял из проволоки с искровым промежутком. Наличие резонанса выражалось в возникновении искр в искровом промежутке резонатора в ответ на искру, возникающую в вибраторе.
Таким образом, опыты Герца подвели прочную основу под теорию Максвелла. Электромагнитные волны, предсказанные Максвеллом, оказались реализованными на опыте.
ПРИНЦИПЫ РАДИОСВЯЗИ
Радиосвязь – передача и прием информации с помощью радиоволн.
24 марта 1896 г. на заседании физического отделения Российского физико-химического общества Попов при помощи своих приборов наглядно продемонстрировал передачу сигналов на расстояние 250 м, передав первую в мире радиограмму из двух слов «Генрих Герц».
СХЕМА ПРИЕМНИКА А.С.ПОПОВА
Попов использовал радиотелеграфную связь (передача сигналов разной длительности), такая связь может осуществляться только с помощью кода. В качестве источника радиоволн использовался искровой передатчик с вибратором Герца, а приемником служил когерер, стеклянная трубка с металлическими опилками, сопротивление которой при попадании на нее электромагнитной волны падает в сотни раз. Для увеличения чувствительности когерера один его конец заземлялся, а другой присоединялся к поднятой над Землей проволоке, общая длина антенны четверть длины волны. Сигнал искрового передатчика быстро затухает и не может быть передан на большие расстояния.
Для радиотелефонной связи (передача речи и музыки) используется высокочастотный модулированный сигнал. Сигнал низкой (звуковой) частоты несет в себе информацию, но практически не излучается, а сигнал высокой частоты излучается хорошо, но информацию не несет. Для радиотелефонной связи используют модуляцию.
Модуляция – процесс установления соответствия между параметрами ВЧ и НЧ сигнала.
В радиотехнике применяется несколько видов модуляций: амплитудная, частотная, фазовая.
Амплитудная модуляция - изменение амплитуды колебаний (электрических, механических и др.), происходящее с частотой, намного меньшей, чем частота самих колебаний.
Гармоническое колебание высокой частоты ω модулировано по амплитуде гармоническим колебанием низкой частоты Ω (τ = 1/Ω - его период), t - время, A - амплитуда высокочастотного колебания, T - его период.
Схема радиосвязи с помощью АМ сигнала
Генератор с амплитудной модуляцией
Амплитуда ВЧ сигнала изменяется в соответствием с амплитудой НЧ сигнала, затем модулированный сигнал излучается передающей антенной.
В радиоприемнике приемная антенна улавливает радиоволны, в колебательном контуре за счет резонанса выделяется и усиливается тот сигнал, на частоту которого настроен контур (несущая частота передающей станции), затем нужно выделить низкочастотную составляющую сигнала.
Детекторный радиоприемник
Детектирование – процесс преобразования высокочастотного сигнала в сигнал низкой частоты. Полученный после детектирования сигнал соответствует тому звуковому сигналу, который действовал на микрофон передатчика. После усиления колебания низкой частоты могут быть превращены в звук.
Детектор (демодулятор)
Диод служит для выпрямления переменного тока
а) АМ сигнал, б) детектированный сигнал
РАДИОЛОКАЦИЯ
Обнаружение и точное определение местонахождения объектов и скорости их движения с помощью радиоволн называется радиолокацией . В основе принципа радиолокации лежит свойство отражения электромагнитных волн от металлов.
1 - вращающаяся антенна; 2 - антенный переключатель; 3 - передатчик; 4 - приемник; 5 - блок развертки; 6 - индикатор расстояния; 7 - индикатор направления.
Для радиолокации используются высокочастотные радиоволны (УКВ), с их помощью легко формируется направленный пучок и высока мощность излучения. В метровом и дециметровом диапазоне – решетчатые системы вибраторов, в сантиметровом и миллиметровом – параболические излучатели. Локация может вестись как в непрерывном (для обнаружения цели), так и в импульсном (для определения скорости движения объекта) режиме.
Области применения радиолокации:
Авиация, космонавтика, флот: безопасность движения судов при любой погоде и в любое время суток, предотвращение их столкновения, безопасность взлета и. посадки самолетов.
Военное дело: своевременное обнаружение самолетов или ракет противника, автоматическая корректировка зенитного огня.
Радиолокация планет: измерение расстояния до них, уточнение параметров их орбит, определение периода вращения, наблюдение рельефа поверхности. В бывшем Советском Союзе (1961)-радиолокация Венеры, Меркурия, Марса, Юпитера. В США и Венгрии (1946)-эксперимент по приему сигнала, отраженного от поверхности Луны.
Схема телесвязи в принципе совпадает со схемой радиосвязи. Разница в том, что, кроме звукового сигнала передается изображение и сигналы управления (смена строки и смена кадра) для синхронизации работы передатчика и приемника. В передатчике эти сигналы модулируются и передаются, в приемнике улавливаются антенной и идут для обработки каждый в свой тракт.
Рассмотрим одну из возможных схем преобразования изображения в электромагнитные колебания с помощью иконоскопа:
С помощью оптической системы на мозаичный экран проецируется изображение, за счет фотоэффекта ячейки экрана приобретают различный положительный заряд. Электронная пушка формирует электронный пучок, который перемещается по экрану, разряжая положительно заряженные ячейки. Так как каждая ячейка – конденсатор, то изменение заряда приводит к появлению изменяющегося напряжения – электромагнитное колебание. Затем сигнал усиливается и поступает в модулирующее устройство. В кинескопе видеосигнал обратно преобразуется в изображение (по-разному в зависимости от принципа работы кинескопа).
Так как телевизионный сигнал несет намного больше информации, чем радио, то работа ведется на высоких частотах (метры, дециметры).
Распространение радиоволн.
Радиоволна –
это электромагнитная волна в диапазоне (10 4
Каждый участок этого диапазона применяется там, где лучше всего могут быть использованы его преимущества. Радиоволны различных диапазонов распространяются на различные расстояния. Распространение радиоволн зависит от свойств атмосферы. Земная поверхность, тропосфера и ионосфера также оказывают сильное влияние на распространение радиоволн.
Распространение радиоволн – это процесс передачи электромагнитных колебаний радиодиапазона в пространстве от одного места к другому, в частности от передатчика к приёмнику.
Волны различной частоты ведут себя по-разному. Рассмотрим подробнее особенности распространения длинных, средних, коротких и ультракоротких волн.
Распространение длинных волн.
Длинные волны (>1000 м) распространяются:
На расстояния до 1-2 тысяч км за счёт дифракции на сферической поверхности Земли. Способны обогнуть Земной шар (рис 1). Затем их распространение происходит за счёт направляющего действия сферического волновода, не отражаясь.
Рис. 1
Качество связи:
Стабильность приёма. Качество приёма не зависит от времени суток, года, погодных условий.
Недостатки:
Из-за сильного поглощения волны при ее распространении над земной поверхностью требуется большая антенна и мощный передатчик.
Атмосферные разряды (молнии) создают помехи.
Использование:
Диапазон используется для радиовещания, для радиотелеграфной связи, радионавигационных служб и для связи с подводными лодками.
Работает небольшое число радиостанций, передающих сигналы точного времени и метеорологические сводки.
Средние волны ( =100..1000 м) распространяются:
Как и длинные волны, способны огибать земную поверхность.
Как и короткие волны, так же могут многократно отражаться от ионосферы.
Качество связи:
Небольшая дальность связи. Средневолновые станции слышны в пределах тысячи километров. Но наблюдается большой уровень атмосферных и промышленных помех.
Используются для служебной и любительской связи, а также главным образом для вещания.
Короткие волны (=10..100 м) распространяются:
Многократно отражаясь от ионосферы и поверхности земли (рис.2)
Качество связи:
Качество приёма на коротких волнах очень сильно зависит от различных процессов в ионосфере, связанных с уровнем солнечной активности, временем года и временем суток. Не требуется передатчиков большой мощности. Для связи между наземными станциями и космическими аппаратами они непригодны, так как не проходят сквозь ионосферу.
Использование:
Для связи на большие расстояния. Для телевидения, радиовещания и радиосвязи с подвижными объектами. Работают ведомственные телеграфные и телефонные радиостанции. Этот диапазон, является самым «населенным».
Ультракороткие волны (
Иногда они могут отражаться от облаков, искусственных спутников земли или даже от Луны. При этом дальность связи может несколько увеличится.
Прием ультракоротких волны характерен постоянством слышимости, отсутствием замирании, а также уменьшением различных помех.
Связь на этих волнах возможна только на расстоянии прямой видимости L (рис. 7).
Так как ультракороткие волны не распространяются за горизонт, возникает необходимость строить множество промежуточных передатчиков – ретрансляторов.
Ретранслятор - устройство, располагающееся на промежуточных пунктах линий радиосвязи, усиливающее принимаемые сигналы и передающее их дальше.
Ретрансляция - прием сигналов на промежуточном пункте, их усиление и передача в прежнем или в другом направлении. Ретрансляция предназначена для увеличения дальности связи.
Существует два способа ретрансляции: спутниковая и наземная.
Спутниковая:
Активный спутник ретрансляции принимает сигнал наземной станции, усиливает его, и через мощный направленный передатчик отправляет сигнал на Землю в прежнем или в другом направлении.
Наземная:
Сигнал передается наземной аналоговой или цифровой радиостанции или сеть таких станций, а затем отправляется дальше в прежнем или в другом направлении.
1 – радиопередатчик,
2 – передающая антенна, 3 – приемная антенна, 4 – радиоприемник.
Использование:
Для связи с искусственными спутниками Земли и
УКВ разделяются на следующие диапазоны:
метровые волны - от 10 до 1 метра, используются для телефонной связи между судами, судами и портовыми службами.
дециметровые - от 1 метра до 10 см, используются для спутниковой связи.
сантиметровые - от 10 до 1см, используются в радиолокации.
миллиметровые - от 1см до 1мм, используются в основном в медицине.
Для существования волны необходим источник колебания и материальная среда или поле, в которых эта волна распространяется. Волны бывают самой разнообразной природы, но они подчиняются аналогичным закономерностям.
По физической природе различают:
По ориентации возмущений различают:
|
Продольные волны -
Смещение частиц происходит вдоль направления распространения; необходимо наличие в среде силы упругости при сжатии; могут распространяться в любых средах. Примеры: звуковые волны  |
Поперечные волны -
Смещение частиц происходит поперек направления распространения; могут распростаняться только в упругих средах; необходимо наличие в среде силы упругости при сдвиге; могут распространяться только в твердых средах (и на границе двух сред). Примеры: упругие волны в струне, волны на воде
|
По характеру зависимости от времени различают:
Упругие волны - механические возмещения (деформации), распространяющиеся в упругой среде. Упругая волна называется гармонической (синусоидальной), если соответствующие ей колебания среды являются гармоническими.
Бегущие волны - волны, переносящие энергию в пространстве.
По форме волновой поверхности : плоская, сферическая, цилиндрическая волна.
Волновой фронт - геометрическое место точек, до которых дошли колебания к данному моменту времени.
Волновая поверхность - геометрическое место точек, колеблющихся в одной фазе.
Характеристики волны
Длина волны λ - расстояние, на которое волна распространяется за время, равное периоду колебаний
Амплитуда волны А - амплитуда колебаний частиц в волне
Скорость волны v - скорость распространения возмущений в среде
Период волны Т - период колебаний
Частота волны ν - величина, обратная периоду
Уравнение бегущей волны
В процессе распространения бегущей волны возмущения среды доходят до следующих точек пространства, при этом волна переносит энергию и импульс, но не переносит вещество (частицы среды продолжают колебаться в том же месте пространства).
где v – скорость, φ 0 – начальная фаза, ω – циклическая частота, A – амплитуда
Свойства механических волн
1. Отражение волн – механические волны любого происхождения обладают способностью отражаться от границы раздела двух сред. Если механическая волна, распространяющаяся в среде, встречает на своем пути какое-либо препятствие, то она может резко изменить характер своего поведения. Например, на границе раздела двух сред с разными механическими свойствами волна частично отражается, а частично проникает во вторую среду.
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 – сложение двух волн. В пространстве, где распространяются несколько волн, их интерференция приводит к возникновению областей с минимальным и максимальным значениями амплитуды колебаний
Интерференция и дифракция механических волн.
Волна, бегущая по резиновому жгуту или струне отражается от неподвижно закрепленного конца; при этом появляется волна, бегущая во встречном направлении.
При наложении волн может наблюдаться явление интерференции. Явление интерференции возникает при наложении когерентных волн.
Когерентными называют волны , имеющие одинаковые частоты, постоянную разность фаз, а колебания происходят в одной плоскости.
Интерференцией называется постоянное во времени явление взаимного усиления и ослабления колебаний в разных точках среды в результате наложения когерентных волн.
Результат суперпозиции волн зависит от того, в каких фазах накладываются друг на друга колебания.
Если волны от источников А и Б придут в точку С в одинаковых фазах, то произойдет усиление колебаний; если же – в противоположных фазах, то наблюдается ослабление колебаний. В результате в пространстве образуется устойчивая картина чередования областей усиленных и ослабленных колебаний.
Условия максимума и минимума
Если колебания точек А и Б совпадают по фазе и имеют равные амплитуды, то очевидно, что результирующее смещение в точке С зависит от разности хода двух волн.
Условия максимума
Если разность хода этих волн равна целому числу волн (т. е. четному числу полуволн) Δd = kλ , где k = 0, 1, 2, ..., то в точке наложения этих волн образуется интерференционный максимум.
Условие максимума
: 
А = 2x 0 .
Условие минимума
Если разность хода этих волн равна нечетному числу полуволн, то это означает, что волны от точек А и Б придут в точку С в противофазе и погасят друг друга.
Условие минимума:
Амплитуда результирующего колебания А = 0 .
Если Δd не равно целому числу полуволн, то 0 < А < 2х 0 .
Дифракция волн.
Явление отклонения от прямолинейного распространения и огибание волнами препятствий называется дифракцией.
Соотношение между длиной волны (λ) и размерами препятствия (L) определяет поведение волны. Дифракция наиболее отчетливо проявляется, если длина набегающей волны больше размеров препятствия. Опыты показывают, что дифракция существует всегда, но становится заметной при условии d<<λ , где d – размер препятствия.
Дифракция – общее свойство волн любой природы, которая происходит всегда, но условия её наблюдения разные.
Волна на поверхности воды распространяется в сторону достаточно большого препятствия, за которым образуется тень, т.е. волнового процесса не наблюдается. Такое свойство используется при устройстве волноломов в портах. Если же размеры препятствия сравнимы с длиной волны, то за препятствием будет наблюдаться волнение. Позади него волна распространяется так, как будто препятствия не было вовсе, т.е. наблюдается дифракция волны.
Примеры проявления дифракции . Слышимость громкого разговора за углом дома, звуки в лесу, волны на поверхности воды.
Стоячие волны
Стоячие волны образуются при сложении прямой и отраженной волны, если у них одинаковая частота и амплитуда.
В струне, закрепленной на обоих концах, возникают сложные колебания, которые можно рассматривать как результат наложения (суперпозиции ) двух волн, распространяющихся в противоположных направлениях и испытывающих отражения и переотражения на концах. Колебания струн, закрепленных на обоих концах, создают звуки всех струнных музыкальных инструментов. Очень похожее явление возникает при звучании духовых инструментов, в том числе органных труб.
Колебания струны . В закрепленной с обоих концов натянутой струне при возбуждении поперечных колебаний устанавливаются стоячие волны , причем в местах закрепления струны должны располагаться узлы. Поэтому в струне возбуждаются с заметной интенсивностью только такие колебания, половина длины волны которых укладывается на длине струны целое число раз.
Отсюда вытекает условие 
Длинам волн соответствуют частоты
n = 1, 2, 3... Частоты v n называются собственными частотами струны.
Гармонические колебания с частотами v n называются собственными или нормальными колебаниями . Их называют также гармониками. В общем случае колебание струны представляет собой наложение различных гармоник.
Уравнение стоячей волны :
В точках, где координаты удовлетворяют условию
(n
= 1, 2, 3, …), суммарная амплитуда равна максимальному значению – это пучности
стоячей волны. Координаты пучностей
: 
В точках, координаты которых удовлетворяют условию
(n
= 0, 1, 2,…), суммарная амплитуда колебаний равна нулю – это узлы
стоячей волны
. Координаты узлов: 
Образование стоячих волн наблюдают при интерференции бегущей и отраженных волн. На границе, где происходит отражение волны, получается пучность, если среда, от которой происходит отражение, менее плотная (a), и узел – если более плотная (б).
Если рассматривать бегущую волну , то в направлении ее распространения переносится энергия колебательного движения. В случае же стоячей волны переноса энергии нет , т.к. падающая и отраженная волны одинаковой амплитуды несут одинаковую энергию в противоположных направлениях.
Стоячие волны возникают, например, в закреплённой с обоих концов натянутой струне при возбуждении в ней поперечных колебаний. Причём в местах закреплений располагаются узлы стоячей волны.
Если стоячая волна устанавливается в воздушном столбе, открытом с одного конца (звуковая волна), то на открытом конце образуется пучность, а на противоположном – узел.
Когда в каком-нибудь месте твердой, жидкой или газообразной среды происходит возбуждение колебаний частиц, результатом взаимодействия атомов и молекул среды становится передача колебаний от одной точки к другой с конечной скоростью.
Определение 1
Волна – это процесс распространения колебаний в среде.
Различают следующие виды механических волн:
Определение 2
Поперечная волна : частицы среды смещаются в направлении, перпендикулярном направлению распространения механической волны.
Пример: волны, распространяющиеся по струне или резиновому жгуту в натяжении (рисунок 2 . 6 . 1);
Определение 3
Продольная волна : частицы среды смещаются в направлении распространения механической волны.
Пример: волны, распространяющиеся в газе или упругом стержне (рисунок 2 . 6 . 2).
Интересно, что волны на поверхности жидкости включают в себя и поперечную, и продольную компоненты.
Замечание 1
Укажем важное уточнение: когда механические волны распространяются, они переносят энергию, форму, но не переносят массу, т.е. в обоих видах волн переноса вещества в направлении распространения волны не происходит. Распространяясь, частицы среды совершают колебания около положений равновесия. При этом, как мы уже сказали, волны переносят энергию, а именно энергию колебаний от одной точки среды к другой.
Рисунок 2 . 6 . 1 . Распространение поперечной волны по резиновому жгуту в натяжении.
Рисунок 2 . 6 . 2 . Распространение продольной волны по упругому стержню.
Характерная черта механических волн – их распространение в материальных средах в отличие, например, от световых волн, способных распространяться и в пустоте. Для возникновения механического волнового импульса необходима среда, имеющая возможность запасать кинетическую и потенциальную энергии: т.е. среда должна иметь инертные и упругие свойства. В реальных средах эти свойства получают распределение по всему объему. К примеру, каждому небольшому элементу твердого тела присуща масса и упругость. Самая простая одномерная модель такого тела представляет из себя совокупность шариков и пружинок (рисунок 2 . 6 . 3).
Рисунок 2 . 6 . 3 . Простейшая одномерная модель твердого тела.
В этой модели инертные и упругие свойства разделены. Шарики имеют массу m , а пружинки – жесткость k . Такая простая модель дает возможность описать распространение продольных и поперечных механических волн в твердом теле. При распространении продольной волны шарики смещаются вдоль цепочки, а пружинки растягиваются или сжимаются, что есть деформация растяжения или сжатия. Если подобная деформация происходит в жидкой или газообразной среде, ее сопровождает уплотнение или разрежение.
Замечание 2
Отличительная особенность продольных волн заключается в том, что они способны распространяться в любых средах: твердых, жидких и газообразных.
Если в указанной модели твердого тела один или несколько шариков получают смещение перпендикулярно всей цепочке, можно говорить о возникновении деформации сдвига. Пружины, получившие деформацию в результате смещения, будут стремиться вернуть смещенные частицы в положение равновесия, а на ближайшие несмещенные частицы начнет оказываться влияние упругих сил, стремящихся отклонить эти частицы от положения равновесия. Итогом станет возникновение поперечной волны в направлении вдоль цепочки.
В жидкой или газообразной среде упругая деформация сдвига не возникает. Смещение одного слоя жидкости или газа на некоторое расстояние относительно соседнего слоя не приведет к появлению касательных сил на границе между слоями. Силы, которые оказывают воздействие на границе жидкости и твердого тела, а также силы между соседними слоями жидкости всегда направлены по нормали к границе – это силы давления. Аналогично можно сказать и о газообразной среде.
Замечание 3
Таким образом, появление поперечных волн невозможно в жидкой или газообразной средах.
В плане практического применения особый интерес представляют простые гармонические или синусоидальные волны. Они характеризуются амплитудой A колебания частиц, частотой f и длиной волны λ . Синусоидальные волны получают распространение в однородных средах с некоторой постоянной скоростью υ .
Запишем выражение, показывающее зависимость смещения y (x , t) частиц среды из положения равновесия в синусоидальной волне от координаты x на оси O X , вдоль которой распространяется волна, и от времени t:
y (x , t) = A cos ω t - x υ = A cos ω t - k x .
В приведенном выражении k = ω υ – так называемое волновое число, а ω = 2 π f является круговой частотой.
Рисунок 2 . 6 . 4 демонстрирует «моментальные фотографии» поперечной волны в момент времени t и t + Δ t . За промежуток времени Δ t волна перемещается вдоль оси O X на расстояние υ Δ t . Подобные волны носят название бегущих волн.
Рисунок 2 . 6 . 4 . «Моментальные фотографии» бегущей синусоидальной волны в момент времени t и t + Δ t .
Определение 4
Длина волны λ – это расстояние между двумя соседними точками на оси O X , испытывающими колебание в одинаковых фазах.
Расстояние, величина которого есть длина волны λ , волна проходит за период Т. Таким образом, формула длины волны имеет вид: λ = υ T , где υ является скоростью распространения волны.
С течением времени t происходит изменение координаты x любой точки на графике, отображающем волновой процесс (к примеру, точка А на рисунке 2 . 6 . 4), при этом значение выражения ω t – k x остается неизменным. Спустя время Δ t точка А переместится по оси O X на некоторое расстояние Δ x = υ Δ t . Таким образом:
ω t - k x = ω (t + ∆ t) - k (x + ∆ x) = c o n s t или ω ∆ t = k ∆ x .
Из указанного выражения следует:
υ = ∆ x ∆ t = ω k или k = 2 π λ = ω υ .
Становится очевидно, что бегущая синусоидальная волна имеет двойную периодичность – во времени и пространстве. Временной период является равным периоду колебаний T частиц среды, а пространственный период равен длине волны λ .
Определение 5
Волновое число k = 2 π λ – это пространственный аналог круговой частоты ω = - 2 π T .
Сделаем акцент на том, что уравнение y (x , t) = A cos ω t + k x является описанием синусоидальной волны, получающей распространение в направлении, противоположном направлению оси O X , со скоростью υ = - ω k .
Когда бегущая волна получает распространение, все частицы среды гармонически колеблются с некоторой частотой ω . Это означает, что как и при простом колебательном процессе, средняя потенциальная энергия, являющаяся запасом некоторого объема среды, есть средняя кинетическая энергия в том же объеме, пропорциональная квадрату амплитуды колебаний.
Замечание 4
Из вышесказанного можно сделать вывод, что, когда бегущая волна получает распространение, появляетсяпоток энергии, пропорциональный скорости волны и квадрату ее амплитуды.
Бегущие волны движутся в среде с определенными скоростями, находящимися в зависимости от типа волны, инертных и упругих свойств среды.
Скорость, с которой поперечные волны распространяются в натянутой струне или резиновом жгуте, имеет зависимость от погонной массы μ (или массы единицы длины) и силы натяжения T :
Скорость, с которой продольные волны распространяются в безграничной среде, рассчитывается при участии таких величин как плотность среды ρ (или масса единицы объема) и модульвсестороннего сжатия B (равен коэффициенту пропорциональности между изменением давления Δ p и относительным изменением объема Δ V V , взятому с обратным знаком):
∆ p = - B ∆ V V .
Таким образом, скорость распространения продольных волн в безграничной среде, определяется по формуле:
Пример 1
При температуре 20 ° С скорость распространения продольных волн в воде υ ≈ 1480 м / с, в различных сортах стали υ ≈ 5 – 6 к м / с.
Если речь идет о продольных волнах, получающих распространение в упругих стержнях, запись формулы для скорости волны содержит не модуль всестороннего сжатия, а модуль Юнга:
Для стали отличие E от B незначительно, а вот для прочих материалов оно может составлять 20 – 30 % и больше.
Рисунок 2 . 6 . 5 . Модель продольных и поперечных волн.
Предположим, что механическая волна, получившая распространение в некоторой среде, встретила на пути некое препятствие: в этом случае характер ее поведения резко изменится. К примеру, на границе раздела двух сред с различающимися механическими свойствами волна частично отразится, а частично проникнет во вторую среду. Волна, пробегающая по резиновому жгуту или струне, отразится от зафиксированного конца, и возникнет встречная волна. Если у струны зафиксированы оба конца, появятся сложные колебания, являющиеся итогом наложения (суперпозиции) двух волн, получающих распространение в противоположных направлениях и испытывающих отражения и переотражения на концах. Так «работают» струны всех струнных музыкальных инструментов, зафиксированные с обоих концов. Схожий процесс возникает при звучании духовых инструментов, в частности, органных труб.
Если волны, распространяющиеся по струне во встречных направлениях, обладают синусоидальной формой, то при определенных условиях они образуют стоячую волну.
Допустим, струна длины l зафиксирована таким образом, что один из ее концов расположен в точке x = 0 , а другой – в точке x 1 = L (рисунок 2 . 6 . 6). В струне имеется натяжение T .
Рисунок 2 . 6 . 6 . Возникновение стоячей волны в струне, зафиксированной на обоих концах.
По струне одновременно пробегают в противоположных направлениях две волны с одинаковой частотой:
- y 1 (x , t) = A cos (ω t + k x) – волна, распространяющаяся справа налево;
- y 2 (x , t) = A cos (ω t - k x) – волна, распространяющаяся слева направо.
Точка x = 0 - один из зафиксированных концов струны: в этой точке падающая волна y 1 в результате отражения создает волну y 2 . Отражаясь от зафиксированного конца, отраженная волна входит в противофазу с падающей. В соответствии с принципом суперпозиции (что есть экспериментальный факт) колебания, созданные встречными волнами во всех точках струны, суммируются. Из сказанного следует, что итоговое колебание в каждой точке определяется как сумма колебаний, вызванных волнами y 1 и y 2 в отдельности. Таким образом:
y = y 1 (x , t) + y 2 (x , t) = (- 2 A sin ω t) sin k x .
Приведенное выражение является описанием стоячей волны. Введем некоторые понятия, применимые к такому явлению как стоячая волна.
Определение 6
Узлы – точки неподвижности в стоячей волне.
Пучности – точки, расположенные между узлами и колеблющиеся с максимальной амплитудой.
Если следовать данным определениям, для возникновения стоячей волны оба зафиксированных конца струны должны являться узлами. Указанная ранее формула отвечает этому условию на левом конце (x = 0) . Чтобы условие было выполнено и на правом конце (x = L) , необходимо чтобы k L = n π , где n является любым целым числом. Из сказанного можно сделать вывод, что стоячая волна в струне появляется не всегда, а только тогда, когда длина L струны равна целому числу длин полуволн:
l = n λ n 2 или λ n = 2 l n (n = 1 , 2 , 3 , . . .) .
Набору значений λ n длин волн соответствует набор возможных частот f
f n = υ λ n = n υ 2 l = n f 1 .
В этой записи υ = T μ есть скорость, с которой распространяются поперечные волны по струне.
Определение 7
Каждая из частот f n и связанный с ней тип колебания струны называется нормальной модой. Наименьшая частота f 1 носит название основной частоты, все прочие (f 2 , f 3 , …) называются гармониками.
Рисунок 2 . 6 . 6 иллюстрирует нормальную моду для n = 2 .
Стоячая волна не обладает потоком энергии. Энергия колебаний, «запертая» в отрезке струны между двумя соседними узлами, не переносится в остальные части струны. В каждом таком отрезке происходит периодическое (дважды за период T ) преобразование кинетической энергии в потенциальную и обратно, подобно обычной колебательной системе. Однако, здесь имеется различие: если груз на пружине или маятник имеют единственную собственную частоту f 0 = ω 0 2 π , то струна характеризуется наличием бесконечного числа собственных (резонансных) частот f n . На рисунке 2 . 6 . 7 показано несколько вариантов стоячих волн в струне, зафиксированной на обоих концах.
Рисунок 2 . 6 . 7 . Первые пять нормальных мод колебаний струны, зафиксированной на обоих концах.
Согласно принципу суперпозиции стоячие волны различных видов (с разными значениями n ) способны одновременно присутствовать в колебаниях струны.
Рисунок 2 . 6 . 8 . Модель нормальных мод струны.
Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter
