Распределение колебаний в среде волны. Урок физики "Распространение колебаний в среде. Волны". Отчеты по практике

Cтраница 1

Процесс распространения колебаний в упругой среде называют звуковым.

Процесс распространения колебаний в пространстве называется волной. Граница, отделяющая колеблющиеся частицы от частиц, еще не начавших колебаться, носят название фронта водны. Распространение волны в среде характеризуется скоростью, называемой скоростью ультразвуковой волны. Расстояние между ближайшими частицами, колеблющимися одинаковым образом (в одинаковой фазе), называется длиной волны. Число волн, проходящих через данную точку в 1 с, называется частотой ультразвука.

Процесс распространения колебаний в упругой среде называется волновым движением, или упругой волной.

Процесс распространения колебаний в пространстве с течением времени называют волной. Волны, распространяющиеся за счет упругих свойств среды, называют упругими. Упругие волны бывают поперечными и продольными.

Процесс распространения колебаний в упругой среде называется волной. Если направление колебаний совпадает с направлением распространения волны, то такая волна называется продольной, например звуковая волна в воздухе. Если направление колебаний перпендикулярно направлению распространения волны, то такая волна называется поперечной.

Процесс распространения колебаний в пространстве называется волновым процессом.

Процесс распространения колебаний в пространстве называется волной.

Процесс распространения колебаний частиц в упругой среде называется волновым процессом или просто волной.

Процессы распространения колебания частиц жидкости или газа в трубе осложняются влиянием ее стенок. Косые отражения вдлн от стенок трубы создают условия для образования радиальных колебаний. Поставив задачу исследования аксиальных колебаний частиц жидкости или газа в узких трубах, мы должны учесть ряд условий, при которых можно пренебречь радиальными колебаниями.

Волной называется процесс распространения колебаний в среде. Каждая частица среды при этом колеблется около положения равновесия.

Волной называется процесс распространения колебаний.

Рассмотренный нами процесс распространения колебаний в упругой среде является примером волновых движений, или, как обычно говорят, волн. Так, например, оказывается, что электромагнитные волны (см. § 3.1) могут распространяться не только в веществе, но и в вакууме. Таким же свойством обладают так называемые гравитационные волны (волны тяготения), с помощью которых передаются возмущения полей тяготения тел, обусловленные изменением масс этих тел или их положений в пространстве. Поэтому в физике волнами называют всякие распространяющиеся в пространстве возмущения состояния вещества или поля. Так, например, звуковые волны в газах или жидкостях представляют собой колебания давления, распространяющиеся в этих средах, а электромагнитные волны - распространяющиеся в пространстве колебания напряженностей Е и Н электромагнитного поля.

Лекция № 9

Механические волны

6.1. Распространение колебаний в упругой среде .

6.2. Уравнение плоской волны .

6.3. Волновое уравнение .

6.4. Скорость распространения волн в различных средах .

Механические колебания, распространяющиеся в упругой среде (твердой, жидкой или газообразной), называются механическими или упругими волнами .

Процесс распространения колебаний в сплошной среде принято называть волновым процессом или волной. Частицы среды, в которой распространяется волна, не вовлекаются волной в поступательное движение. они лишь совершают колебания около своих положений равновесия. Вместе с волной от частицы к частице среды передаются лишь состояние колебательного движения и его энергия. По этой причине основным свойством всех волн, независимо от их природы, является перенос энергии без переноса вещества .

Учитывая зависимость отнаправления колебаний частиц по отношению к направлению, в котором распространяется волна, различают продольные и поперечные волны.

продольной , если колебания частиц среды происходят в направлении распространения волны. Продольные волны связаны с объемной деформацией растяжения − сжатия среды, в связи с этим они могут распространяться как в твердых телах, так и в жидкостях и газообразных средах.

Упругая волна принято называть поперечной , если колебания частиц среды происходят в плоскостях, перпендикулярных к направлению распространения волны Поперечные волны могут возникать только в такой среде, которая обладает упругостью формы, т. е. способна сопротивляться деформации сдвига. Этим свойством обладают только твердые тела.

На рис. 6.1.1 представлена гармоническая поперечная волна, распространяющаяся вдоль оси 0х . График волны дает зависимость смещения всех частиц среды от расстояния до источника колебаний в данный момент времени. Расстояние между ближайшими частицами, колеблющимися в одинаковой фазе, принято называть длиной волны. Длина волны также равна тому расстоянию, на ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ распространяется определенная фаза колебания за период колебаний

Колеблются не только частицы, расположенные вдоль оси 0х , а совокупность частиц, заключенных в некотором объеме. Геометрическое место точек, до которых доходят колебания к моменту времени t , принято называть фронтом волны . Фронт волны представляет собой ту поверхность, которая отделяет часть пространства, уже вовлеченную в волновой процесс, от области, в которой колебания еще не возникли. Геометрическое место точек, колеблющихся в одинаковой фазе, принято называть волновой поверхностью . Волновую поверхность можно провести через любую точку пространства, охваченного волновым процессом. Волновые поверхности бывают любой формы. В простейших случаях они имеют форму плоскости или сферы. Соответственно волна в этих случаях принято называть плоской или сферической. В плоской волне волновые поверхности представляют собой множество параллельных друг другу плоскостей, а в сферической − множество концентрических сфер.

Процесс распространения колебаний в сплошной среде называется волновым процессом или волной. Частицы среды, в которой распро-страняется волна, не вовлекаются волной в поступательное движение. Они лишь совершают колебания около своих положений равновесия. Вместе с волной от частицы к частице среды передаются лишь со-стояние колебательного движения и его энергия. Поэтому основным свойством всех волн, независимо от их природы, является перенос энергии без переноса вещества .

В зависимости от направления колебаний частиц по отношению

к направлению, в котором распространяется волна, различают про-

дольные и поперечные волны.

Упругая волна называется продольной , если колебания частиц среды происходят в направлении распространения волны. Продоль-ные волны связаны с объемной деформацией растяжения − сжатия среды, поэтому они могут распространяться как в твердых телах, так и

в жидкостях и газообразных средах.

x ляться деформации сдвига. Этим свойст-вом обладают только твердые тела.

λ На рис. 6.1.1 представлена гармони-

висимость смещения всех частиц среды от расстояния до источника колебаний в данный момент времени. Расстояние между ближайшими частицами, колеблющимися в одинаковой фазе, называется длиной волны. Длина волны также равна тому расстоянию,на которое рас-пространяется определенная фаза колебания за период колебаний

Колеблются не только частицы, расположенные вдоль оси 0х , а совокупность частиц, заключенных в некотором объеме. Геометриче-ское место точек, до которых доходят колебания к моменту времени t , называется фронтом волны . Фронт волны представляет собой ту по-верхность, которая отделяет часть пространства, уже вовлеченную в волновой процесс, от области, в которой колебания еще не возникли. Геометрическое место точек, колеблющихся в одинаковой фазе, назы-вается волновой поверхностью . Волновую поверхность можно провес-ти через любую точку пространства, охваченного волновым процес-сом. Волновые поверхности могут быть любой формы. В простейших случаях они имеют форму плоскости или сферы. Соответственно вол-на в этих случаях называется плоской или сферической. В плоской волне волновые поверхности представляют собой множество парал-лельных друг другу плоскостей, а в сферической − множество концен-трических сфер.

Уравнение плоской волны

Уравнением плоской волны называется выражение, которое да-ет смещение колеблющейся частицы как функцию ее координат x , y , z и времени t

S = S (x , y , z ,t ).

(6.2.1)

Эта функция должна быть периодической как относительно времени t , так и относительно координат x , y , z . Периодичность по времени вытекает из того, что смещение S описывает колебания час-тицы с координатами x , y , z , а периодичность по координатам следует из того, что точки, отстоящие друг от друга на расстоянии, равном длине волны, колеблются одинаковым образом.

Предположим, что колебания носят гармонический характер, а ось 0х совпадает с направлением распространения волны. Тогда вол-новые поверхности будут перпендикулярны оси 0х и, поскольку все

точки волновой поверхности колеблются одинаково, смещение S бу-дет зависеть только от координаты х и времени t

Найдем вид колебания точек в плоскости, соответствующей произвольному значению х . Для того, чтобы пройти путь от плоско-сти х = 0 до плоскости х , волне требуется время τ = x /υ. Следователь-но, колебания частиц, лежащих в плоскости х , будут отставать по времени на τ от колебаний частиц в плоскости х = 0 и описываться уравнением

S ( x ; t )= A cosω( t − τ)+ϕ	= A cos	ω t −	x	+ϕ	. (6.2.4)


				υ

где А − амплитуда волны; ϕ 0 − начальная фаза волны (определяется выбором начал отсчета х и t ).

Зафиксируем какое-либо значение фазы ω(t − x υ) +ϕ 0 = const .

Это выражение определяет связь между временем t и тем местом х , в котором фаза имеет фиксированное значение. Продифференцировав данное выражение, получим

Придадим уравнению плоской волны симметричный относи-

тельно х и t вид. Для этого введем величину k = 2 λ π , которая называ-

ется волновым числом , которое можно представить в виде

Мы предполагали, что амплитуда колебаний не зависит от х . Для плоской волны это наблюдается в том случае, когда энергия вол-ны не поглощается средой. При распространении в поглощающей энергию среде интенсивность волны с удалением от источника коле-баний постепенно уменьшается, т. е. наблюдается затухание волны. В однородной среде такое затухание происходит по экспоненциальному

закону A = A 0 e −β x . Тогда уравнение плоской волны для поглощающей среды имеет вид

где r r − радиус-вектор, точки волны; k = k ⋅n r − волновой вектор ; n r − единичный вектор нормали к волновой поверхности.

Волновой вектор −это вектор,равный по модулю волновомучислу k и имеющий направление нормали к волновой поверхности на-

зывается.
Перейдем от радиус-вектора точки к ее координатам x , y , z
r	r	(6.3.2)
k	⋅ r = k x x + k y y + k z z .
Тогда уравнение (6.3.1) примет вид
S (x , y , z ; t )= A cos(ω t − k x x − k y y − k z z +ϕ 0).	(6.3.3)

Установим вид волнового уравнения. Для этого найдем вторые частные производные по координатам и времени выражение (6.3.3)

∂ 2 S

∂t

= −ω A cos

(ωt − k ⋅ r

+ϕ 0) = −ω S ;

∂ 2 S

∂x

= − k x A cos(ω t − k

⋅ r

+ϕ 0) = −k x S

(6.3.4)

∂ 2 S

∂y

= − k y A cos

(ωt − k ⋅ r

+ϕ 0) = −k y S ;

∂ 2 S

∂z

= − k z A cos(ω t − k

⋅ r

+ϕ 0) = −k z S

Сложив производные по координатам, и с учетом производной

по времени, получим

∂

S 2

+ ∂

S 2

= − (k x 2 + k y 2 + k z 2)S

= − k 2 S =

S 2 .

(6.3.5)

∂t

∂x

∂y

∂z

Произведем замену

ω 2

и получим волновое уравнение

∂ 2 S

1 ∂ 2 S

или

S =

1 ∂ 2 S

(6.3.6)

∂x 2

∂y 2

∂z 2

υ 2 ∂t 2

где =

∂ 2

− оператор Лапласа.

∂x 2

∂y 2

∂z 2

§ 1 Распространение колебаний в среде. Продольные и поперечные волны

Рассмотрим, каким образом распространяются колебания в различных средах. Часто вы могли наблюдать, как от поплавка или от брошенного камня по воде расходятся круги. Колебания, создающие в пространстве деформацию среды, могут стать источником, например, волн землетрясений, морских волн или звука. Если рассматривать звук, то колебания производят как источник звука (струна или камертон), так и приемник звука, например, мембрана микрофона. Колебания совершает и собственно среда, через которую идет волна.

Процесс распространения колебаний в пространстве с течением времени называется волной. Волны - это возмущения, распространяющиеся в пространстве, удаляющиеся от места их возникновения.

Следует отметить, что распространение механических волн возможно только в газовой, жидкой и твердой средах. Механическая волна никак не может возникнуть в вакууме.

Твердые, жидкие, газообразные среды состоят из отдельных частиц, взаимодействующих между собой силами связи. Возбуждение колебаний частиц данной среды в одном месте вызывает вынужденные колебания соседних частиц, те, в свою очередь, возбуждают колебания следующих и т.д.

Существуют продольные и поперечные волны.

Волна называется продольной, если частицы среды совершают колебания в направлении распространения волны.

Продольную волну можно увидеть на примере с мягкой длинной пружиной: сжимая и отпуская один из ее концов (другой конец закреплен), мы вызовем последовательное движение сгущений и разрежений ее витков.

Иными словами, наблюдаем, как от одного ее конца к другому идет возмущение, вызванное изменением силы упругости, скорости движения или ускорения витков пружины, смещением витков от линии равновесия. На данном примере мы видим бегущую волну.

Бегущая волна - это волна, которая при перемещении в пространстве переносит энергию без переноса вещества.

а) исходное состояние; б) сжатие пружины; в) передача колебаний от одного витка к другому (сгущение и разряжение витков).

В механике изучают так называемые упругие волны.

Среда, частицы которой связаны между собой так, что изменение положения одной из них ведёт к изменению положения других частиц, называется упругой.

Волна называется поперечной, если частицы среды совершают колебания в направлении, перпендикулярном к направлению распространения волны.

Если натянуть горизонтально резиновый шнур, один его конец жестко закрепить, а другой привести в вертикальное колебательное движение, то сможем наблюдать поперечную волну.

Для эксперимента смоделируем цепочки из пружинок и шариков и на этой модели проанализируем движение продольных и поперечных волн.

В случае продольной волны (а) шарики смещаются вдоль, а пружинки или растягиваются, или сжимаются, то есть возникает деформация сжатия или растяжения. Необходимо помнить, что в жидкой и газовой среде подобной деформации сопутствует уплотнение среды или ее разрежение.

Если шарик сместить перпендикулярно цепочке (б), то возникнет так называемая деформация сдвига. В этом случае мы увидим движение поперечной волны. Следует запомнить, что в жидкости и газообразной среде невозможна деформации сдвига.

Поэтому имеет место следующее определение.

Продольные механические волны могут распространяться в любых средах: жидких, газообразных и твердых. Поперечные волны могут существовать только в твердых средах.

§ 2 Краткие итоги по теме урока

Распространение механических волн возможно только в газовой, жидкой и твердой средах. Механическая волна никаким образом не может возникнуть в вакууме.

Существуют продольные и поперечные волны. Продольные механические волны могут распространяться в любых средах: жидких, газообразных и твердых. Поперечные волны могут существовать только в твердых средах.

Список использованной литературы:

Физика. Большой энциклопедический словарь / Гл. ред. А. М. Прохоров. - 4-е изд. - М.: Большая Российская энциклопедия, 1999. - С. 293-295.
Иродов И. Е. Механика. Основные законы / И.Е. Иродов. – 5-е изд., испр.–М.: Лаборатория базовых знаний, 2000, С. 205–223.
Иродов И. Е. Механика колебательных систем / И.Е. Иродов. – 3-е изд., испр.–М.: Лаборатория базовых знаний, 2000, С. 311–320.
Перышкин А.В. Физика. 9 класс: учебник / А.В. Перышкин, Е.М. Гутник. – М.: Дрофа, 2014. – 319с. Сборник тестовых заданий по физике, 9 класс. /Е.А.Марон, А.Е.Марон. Издательство «Просвещение», Москва, 2007 год.

Использованные изображения:

Представляем вашему вниманию видеоурок по теме «Распространение колебаний в упругой среде. Продольные и поперечные волны». На этом уроке мы будем изучать вопросы, связанные с распространением колебаний в упругой среде. Вы узнаете, что такое волна, как она появляется, чем она характеризуется. Изучим свойства и отличия продольных и поперечных волн.

Мы переходим к изучению вопросов, связанных с волнами. Поговорим о том, что такое волна, как она появляется и чем характеризуется. Оказывается, помимо просто колебательного процесса в узкой области пространства, возможно еще и распространение этих колебаний в среде, именно такое распространение и есть волновое движение.

Перейдем к обсуждению этого распространения. Чтобы обсудить возможность существования колебаний в среде, мы должны определиться с тем, что такое плотная среда. Плотной средой называют такую среду, которая состоит из большого числа частиц, взаимодействие которых очень близко к упругому. Представим следующий мысленный эксперимент.

Рис. 1. Мысленный эксперимент

Поместим в упругую среду шар. Шар будет сжиматься, уменьшаться в размерах, а потом расширяться наподобие биения сердца. Что в этом случае будет наблюдаться? В этом случае частицы, которые прилегают вплотную к этому шару, будут повторять его движение, т.е. удаляться, приближаться - тем самым будут совершать колебания. Поскольку эти частицы взаимодействуют с другими более удаленными от шара частицами, то они также будут совершать колебания, но с некоторым запаздыванием. Частицы, которые к этому шару прилегают вплотную, совершают колебания. Они будут передаваться другим частицам, более далеким. Таким образом, колебание будет распространяться по всем направлениям. Обратите внимание, в данном случае произойдет распространение состояния колебаний. Такое распространение состояния колебаний мы и называем волной. Можно сказать, что процесс распространения колебаний в упругой среде с течением времени называется механической волной.

Обратите внимание: когда мы говорим о процессе возникновения таких колебаний, надо говорить о том, что они возможны, только если существует взаимодействие между частицами. Другими словами, волна может существовать только тогда, когда есть внешняя возмущающая сила и силы, которые противостоят действию силы возмущения. В данном случае это силы упругости. Процесс распространения в данном случае будет связан с тем, какова плотность и сила взаимодействия между частицами данной среды.

Отметим еще одну вещь. Волна не переносит вещества . Ведь частицы совершают колебания возле положения равновесия. Но вместе с тем волна переносит энергию. Этот факт можно проиллюстрировать волнами цунами. Вещество не переносится волной, но волна переносит такую энергию, которая приносит большие бедствия.

Поговорим о типах волн. Существуют две разновидности - волны продольные и поперечные. Что такое продольные волны ? Эти волны могут существовать во всех средах. И пример с пульсирующим шаром внутри плотной среды - это как раз пример образования продольной волны. Такая волна представляет собой распространение в пространстве с течением времени. Вот это чередование уплотнения и разряжения и представляет собой продольную волну. Еще раз повторюсь, что такая волна может существовать во всех средах - жидких, твердых, газообразных. Продольной называется волна, при распространении которой частицы среды совершают колебания вдоль направления распространения волны.

Рис. 2. Продольная волна

Что касается поперечной волны, то поперечная волна может существовать только в твердых телах и на поверхности жидкости. Поперечной называется волна, при распространении которой частицы среды совершают колебания перпендикулярно направления распространения волны.

Рис. 3. Поперечная волна

Скорость распространения продольных и поперечных волн разная, но это уже тема следующих уроков.

Список дополнительной литературы:

А так ли хорошо знакомо вам понятие волна? // Квант. — 1985. — №6. — С. 32-33. Физика: Механика. 10 кл.: Учеб. для углубленного изучения физики / М.М. Балашов, А.И. Гомонова, А.Б. Долицкий и др.; Под ред. Г.Я. Мякишева. - М.: Дрофа, 2002. Элементарный учебник физики. Под ред. Г.С. Ландсберга. Т. 3. - М., 1974.