Механические волны их виды и скорость распространения. SA 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.
В курсе физики 7 класса вы изучали механические колебания. Часто бывает так, что, возникнув в одном месте, колебания распространяются в соседние области пространства. Вспомните, например, распространение колебаний от брошенного в воду камешка или колебания земной коры, распространяющиеся от эпицентра землетрясения. В таких случаях говорят о волновом движении — волнах (рис. 17.1). Из этого параграфа вы узнаете об особенностях волнового движения.
Создаем механические волны
Возьмем довольно длинную веревку, один конец которой прикрепим к вертикальной поверхности, а второй будем двигать вниз-вверх (колебать). Колебания от руки распространятся по веревке, постепенно вовлекая в колебательное движение все более удаленные точки, — по веревке побежит механическая волна (рис. 17.2).
Механической волной называют распространение колебаний в упругой среде*.
Теперь закрепим горизонтально длинную мягкую пружину и нанесем по ее свободному концу серию последовательных ударов — в пружине побежит волна, состоящая из сгущений и разрежений витков пружины (рис. 17.3).
Описанные выше волны можно увидеть, однако большинство механических волн невидимы, например звуковые волны (рис. 17.4).
На первый взгляд, все механические волны абсолютно разные, но причины их возникновения и распространения одинаковы.
Выясняем, как и почему в среде распространяется механическая волна
Любая механическая волна создается колеблющимся телом — источником волны. Осуществляя колебательное движение, источник волны деформирует ближайшие к нему слои среды (сжимает и растягивает их либо смещает). В результате возникают силы упругости, которые действуют на соседние слои среды и заставляют их осуществлять вынужденные колебания. Эти слои, в свою очередь, деформируют следующие слои и заставляют их колебаться. Постепенно, один за другим, все слои среды вовлекаются в колебательное движение — в среде распространяется механическая волна.
Рис. 17.6. В продольной волне слои среды колеблются вдоль направления распространения волны
Различаем поперечные и продольные механические волны
Сравним распространение волны вдоль веревки (см. рис. 17.2) и в пружине (см. рис. 17.3).
Отдельные части веревки движутся (колеблются) перпендикулярно направлению распространения волны (на рис. 17.2 волна распространяется справа налево, а части веревки движутся вниз-вверх). Такие волны называют поперечными (рис. 17.5). При распространении поперечных волн происходит смещение одних слоев среды относительно других. Деформация смещения сопровождается возникновением сил упругости только в твердых телах, поэтому поперечные волны не могут распространяться в жидкостях и газах. Итак, поперечные волны распространяются только в твердых телах.
При распространении волны в пружине витки пружины движутся (колеблются) вдоль направления распространения волны. Такие волны называют продольными (рис. 17.6). Когда распространяется продольная волна, в среде происходят деформации сжатия и растяжения (вдоль направления распространения волны плотность среды то увеличивается, то уменьшается). Такие деформации в любой среде сопровождаются возникновением сил упругости. Поэтому продольные волны распространяются и в твердых телах, и в жидкостях, и в газах.
Волны на поверхности жидкости не являются ни продольными, ни поперечными. Они имеют сложный продольно-поперечный характер, при этом частицы жидкости движутся по эллипсам. В этом легко убедиться, если бросить в море легкую щепку и понаблюдать за ее движением на поверхности воды.
Выясняем основные свойства волн
1. Колебательное движение от одной точки среды к другой передается не мгновенно, а с некоторым опозданием, поэтому волны распространяются в среде с конечной скоростью.
2. Источник механических волн — колеблющееся тело. При распространении волны колебания частей среды — вынужденные, поэтому частота колебаний каждой части среды равна частоте колебаний источника волны.
3. Механические волны не могут распространяться в вакууме.
4. Волновое движение не сопровождается переносом вещества — части среды всего лишь колеблются относительно положений равновесия.
5. С приходом волны части среды приходят в движение (приобретают кинетическую энергию). Это означает, что при распространении волны происходит перенос энергии.
Перенос энергии без переноса вещества — важнейшее свойство любой волны.
Вспомните распространение волн по поверхности воды (рис. 17.7). Какие наблюдения подтверждают основные свойства волнового движения?
Вспоминаем физические величины, характеризующие колебания
Волна — это распространение колебаний, поэтому физические величины, характеризующие колебания (частота, период, амплитуда), также характеризуют и волну. Итак, вспомним материал 7 класса:
|
Физические величины, характеризующие колебания |
|||
|
Частота колебаний ν |
Период колебаний T |
Амплитуда колебаний A |
|
|
Определе |
количество колебаний за единицу времени |
время одного колебания |
максимальное расстояние, на которое отклоняется точка от положения равновесия |
|
Формула для определения |
 |
 |
|
|
N — количество колебаний за интервал времени t |
|||
|
Единица в СИ |
 |
секунда (с) |
|
Обратите внимание! При распространении механической волны все части среды, в которой распространяется волна, колеблются с одинаковой частотой (ν), которая равна частоте колебаний источника волны, поэтому период
колебаний (T) для всех точек среды тоже одинаков, ведь
А вот амплитуда колебаний постепенно уменьшается с отдалением от источника волны.
Выясняем длину и скорость распространения волны
Вспомните распространение волны вдоль веревки. Пусть конец веревки осуществил одно полное колебание, то есть время распространения волны равно одному периоду (t = T). За это время волна распространилась на некоторое расстояние λ (рис. 17.8, а). Это расстояние называют длиной волны.
Длина волны λ — расстояние, на которое распространяется волна за время, равное периоду T:
где v — скорость распространения волны. Единица длины волны в СИ — метр:
Нетрудно заметить, что точки веревки, расположенные друг от друга на расстоянии одной длины волны, колеблются синхронно — имеют одинаковую фазу колебаний (рис. 17.8, б, в). Например, точки A и B веревки одновременно движутся вверх, одновременно достигают гребня волны, затем одновременно начинают двигаться вниз и т. д.
Рис. 17.8. Длина волны равна расстоянию, на которое распространяется волна за время одного колебания (это также расстояние между двумя ближайшими гребнями или двумя ближайшими впадинами)
Воспользовавшись формулой λ = vT, можно определить скорость распространения
получим формулу взаимосвязи длины, частоты и скорости распространения волны — формулу волны:
Если волна переходит из одной среды в другую, скорость ее распространения изменяется, а частота остается неизменной, поскольку частота определяется источником волны. Таким образом, согласно формуле v = λν при переходе волны из одной среды в другую длина волны изменяется.
Формула волны
Учимся решать задачи
Задача. Поперечная волна распространяется вдоль шнура со скоростью 3 м/с. На рис. 1 показано положение шнура в некоторый момент времени и направление распространения волны. Считая, что сторона клетки равна 15 см, определите:
1) амплитуду, период, частоту и длину волны;
Анализ физической проблемы, решение
Волна поперечная, поэтому точки шнура колеблются перпендикулярно направлению распространения волны (смещаются вниз-вверх относительно некоторых положений равновесия).
1) Из рис. 1 видим, что максимальное отклонение от положения равновесия (амплитуда A волны) равно 2 клеткам. Значит, A = 2 15 см = 30см.
Расстояние между гребнем и впадиной — 60 см (4 клетки), соответственно расстояние между двумя ближайшими гребнями (длина волны) вдвое больше. Значит, λ = 2 · 60 см = 120 см = 1,2м.
Частоту ν и период T волны найдем, воспользовавшись формулой волны:
2) Чтобы выяснить направление движения точек шнура, выполним дополнительное построение. Пусть за небольшой интервал времени Δt волна сместилась на некоторое небольшое расстояние. Поскольку волна смещается вправо, а ее форма со временем не изменяется, точки шнура займут положение, показанное на рис. 2 пунктиром.
Волна поперечная, то есть точки шнура движутся перпендикулярно направлению распространения волны. Из рис. 2 видим, что точка K через интервал времени Δt окажется ниже своего начального положения, следовательно, скорость ее движения направлена вниз; точка В переместится выше, следовательно, скорость ее движения направлена вверх; точка С переместится ниже, следовательно, скорость ее движения направлена вниз.
Ответ: A = 30 см; T = 0,4 с; ν = 2,5 Гц; λ = 1,2 м; K и С — вниз, В — вверх.
Подводим итоги
Распространение колебаний в упругой среде называют механической волной. Механическую волну, в которой части среды колеблются перпендикулярно направлению распространения волны, называют поперечной; волну, в которой части среды колеблются вдоль направления распространения волны, называют продольной.
Волна распространяется в пространстве не мгновенно, а с некоторой скоростью. При распространении волны происходит перенос энергии без переноса вещества. Расстояние, на которое распространяется волна за время, равное периоду, называют длиной волны — это расстояние между двумя ближайшими точками, которые колеблются синхронно (имеют одинаковую фазу колебаний). Длина λ, частота ν и скорость v распространения волны связаны формулой волны: v = λν.
Контрольные вопросы
1. Дайте определение механической волны. 2. Опишите механизм образования и распространения механической волны. 3. Назовите основные свойства волнового движения. 4. Какие волны называют продольными? поперечными? В каких средах они распространяются? 5. Что такое длина волны? Как ее определяют? 6. Как связаны длина, частота и скорость распространения волны?
Упражнение № 17
1. Определите длину каждой волны на рис. 1.
2. В океане длина волны достигает 270 м, а ее период равен 13,5 с. Определите скорость распространения такой волны.
3. Совпадают ли скорость распространения волны и скорость движения точек среды, в которой распространяется волна?
4. Почему механическая волна не распространяется в вакууме?
5. В результате взрыва, произведенного геологами, в земной коре распространилась волна со скоростью 4,5 км/с. Отраженная от глубоких слоев Земли, волна была зафиксирована на поверхности Земли через 20 с после взрыва. На какой глубине залегает порода, плотность которой резко отличается от плотности земной коры?
6. На рис. 2 изображены две веревки, вдоль которых распространяется поперечная волна. На каждой веревке показано направление колебаний одной из ее точек. Определите направления распространения волн.
7. На рис. 3 изображено положение двух шнуров, вдоль которых распространяется волна, показано направление распространения каждой волны. Для каждого случая а и б определите: 1) амплитуду, период, длину волны; 2) направление, в котором в данный момент времени движутся точки А, В и С шнура; 3) количество колебаний, которые совершает любая точка шнура за 30 с. Считайте, что сторона клетки равна 20 см.
8. Человек, стоящий на берегу моря, определил, что расстояние между соседними гребнями волн равно 15 м. Кроме того, он подсчитал, что за 75 с до берега доходит 16 волновых гребней. Определите скорость распространения волн.
Это материал учебника
Механические волны
Если в каком-нибудь месте твердой, жидкой или газообразной среды возбуждены колебания частиц, то вследствие взаимодействия атомов и молекул среды колебания начинают передаваться от одной точки к другой с конечной скоростью. Процесс распространения колебаний в среде называется волной .
Механические волны бывают разных видов. Если в волне частицы среды испытывают смещение в направлении, перпендикулярном направлению распространения, то волна называется поперечной . Примером волны такого рода могут служить волны, бегущие по натянутому резиновому жгуту (рис. 2.6.1) или по струне.
Если смещение частиц среды происходит в направлении распространения волны, то волна называется продольной . Волны в упругом стержне (рис. 2.6.2) или звуковые волны в газе являются примерами таких волн.
Волны на поверхности жидкости имеют как поперечную, так и продольную компоненты.
Как в поперечных, так и в продольных волнах переноса вещества в направлении распространения волны не происходит. В процессе распространения частицы среды лишь совершают колебания около положений равновесия. Однако волны переносят энергию колебаний от одной точки среды к другой.
Характерной особенностью механических волн является то, что они распространяются в материальных средах (твердых, жидких или газообразных). Существуют волны, которые способны распространяться и в пустоте (например, световые волны). Для механических волн обязательно нужна среда, обладающая способностью запасать кинетическую и потенциальную энергию. Следовательно, среда должна обладать инертными и упругими свойствами . В реальных средах эти свойства распределены по всему объему. Так, например, любой малый элемент твердого тела обладает массой и упругостью. В простейшей одномерной модели твердое тело можно представить как совокупность шариков и пружинок (рис. 2.6.3).
Продольные механические волны могут распространяться в любых средах – твердых, жидких и газообразных.
Если в одномерной модели твердого тела один или несколько шариков сместить в направлении, перпендикулярном цепочке, то возникнет деформация сдвига . Деформированные при таком смещении пружины будут стремиться возвратить смещенные частицы в положение равновесия. При этом на ближайшие несмещенные частицы будут действовать упругие силы, стремящиеся отклонить их от положения равновесия. В результате вдоль цепочки побежит поперечная волна.
В жидкостях и газах упругая деформация сдвига не возникает. Если один слой жидкости или газа сместить на некоторое расстояние относительно соседнего слоя, то никаких касательных сил на границе между слоями не появится. Силы, действующие на границе жидкости и твердого тела, а также силы между соседними слоями жидкости всегда направлены по нормали к границе – это силы давления. То же относится к газообразной среде. Следовательно, поперечные волны не могут существовать в жидкой или газообразной средах .
Значительный интерес для практики представляют простые гармонические или синусоидальные волны . Они характеризуются амплитудой A колебания частиц, частотой f идлиной волны λ. Синусоидальные волны распространяются в однородных средах с некоторой постоянной скоростью υ.
Смещение y (x , t ) частиц среды из положения равновесия в синусоидальной волне зависит от координаты x на оси OX , вдоль которой распространяется волна, и от времени t по закону.
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.
