Объясните процесс образования волны с помощью модели волновой всплеск рисунок 55 кратко

Обновлено: 02.07.2024

Все тела состоят из частиц, которые взаимодействуют друг с другом. Причём неважно в каком состоянии находится объект: в жидком, твердом или газообразном. Если одна частица начнёт совершать колебательные движения, то в результате межчастичного взаимодействия, это движение распространится и на другие частицы. Причем скорость этого распространения будет одинаковой для всех близлежащих к источнику колебаний частиц.

Такой процесс распространения колебаний в пространстве за определенный временной промежуток называется волновым процессом. А последовательное возникновение колебаний в близлежащих к источнику возбуждения точках называется волной.

Наглядный пример распространения колебаний – волны на поверхности воды. Если кинуть камень в водоём, то в месте его падения образуются последовательные овальные волны небольшой амплитуды. Расстояния между гребнями при этом будут примерно одинаковыми. Но, если же рядом с местом падения камня будет находится лист кувшинки, то волны не изменят его положения, а лишь заставят колебаться вверх и вниз.

Важно понимать, что возбуждение волны не провоцирует переноса вещества. Волна способствует лишь распространению колебаний.

Скорость волны

Любой физический процесс характеризуется временем. Так и волна распространяется не мгновенно, а с конечной скоростью. Поэтому важной характеристикой распространения колебаний является скорость волны.

Поперечные волны

Возьмём какой-нибудь эластичный шнур и закрепим один его конец. Второй конец возьмём в руку и зададим колебательные движения (то есть раскачаем его). Зафиксируем, что по длине всего шнура побежит волна, которая постепенно достигнет закрепленного конца. Чем объясняется это наблюдение? А тем, что каждый небольшой объем шнура обладает собственной массой и упругостью. При вынужденной деформации, которая задаётся колебательной волной, на каждом участке появляются силы упругости, стремящиеся вернуть шнур в первоначальное положение. Почему колебание не блокируются сразу? Потому что каждый участок обладает инертностью, которая постепенно преодолевается силами упругости (эффект затухания). Колебания останавливаются, когда деформация достигает максимального отклонения от положения равновесия. Чем сильнее натяжение шнура, тем больше скорость распространения волны.

Поперечными называются волны, частицы которых колеблются в плоскости, перпендикулярной направлению распространения возбуждения.

Распространение поперечной волны можно наглядно продемонстрировать с помощью цепочки одинаковых металлических шариков, соединенных между собой пружинами и подвешенных на нитях к некоторому основанию. В такой системе присутствует чёткое разделение сил упругости и свойств инертности: масса сосредоточена в шарах, а упругость – в пружинах. Однако в рассмотрении волнового движения этим допущением можно пренебречь.

Теперь отклоним левый крайний шар вдоль некоторой оси Y, которая распространяется перпендикулярно металлическим шарикам. Заметим, что при этом соединительная пружинка начнёт деформироваться и провоцировать движение второго шарика. Причём это движение будет ориентировано по той же траектории, но не будет синхронно с первым.

Мы выяснили, что если привести в движение первый шар, то второй начнёт колебаться вслед за первым с той же частотой, но с отставанием по фазе. Соответственно, пружина второго шара спровоцирует движение третьего за счет сил упругости и т.д. В итоге, все подвешенные шары начнут двигаться с одной и той же частотой, но с разными фазами. Если первый шар начнёт колебаться с периодом T, то все последующие шарики будут отставать от него на четверть периода. Это наглядный пример распространения поперечной волны. Она может наблюдаться только в твёрдых телах, так как колебательные движения в жидкостях или газах не провоцируют появления сил упругости.

Продольные волны

Если колебания происходят за счет частиц, колеблющихся вдоль распространения волны, то говорят о продольных волнах.

Рассмотрим пример продольного распространения колебаний. Возьмём мягкую длинную пружину большого диаметра. Зафиксируем один конец, а по второму ударим рукой. Мы заметим, как последовательное сжатие будет двигаться по пружине. Если ударить по краю несколько раз, то у нас получится возбудить волну, которая будет представлять собой совокупность сжатий и растяжений, двигающихся друг за другом. Таким образом, отличительная черта продольных колебаний – деформация сжатия и растяжения. Продольные волны могут наблюдаться как в твёрдых телах, так и в газах и жидкостях.

А теперь вернёмся к предыдущему опыту с металлическими шариками. Можно ли наблюдать там продольную волну? Да, можно. Зафиксируем шары таким образом, чтобы они могли двигаться только в одном направлении – вдоль цепочки. Спровоцируем колебательные движения первого шара с периодом Т. Увидим, что вдоль всей цепочки побежит продольная волна, представляющая собой чередующиеся уплотнения и разрежения компонентов системы.

Энергия волны

Длина волны

Опять же обратимся к эксперименту с шарами. Обратим внимание на движение первого и тринадцатого шаров при распространении поперечной волны. Их колебания будут идентичными. В таком случае говорят, что движения шаров происходят в одинаковых фазах.

Отсюда получаем формулировку новой характеристики. Длина волны – это кратчайшее расстояние между двумя точками, которые колеблются в одинаковых фазах. Рассчитывается длина волны следующим соотношением: λ=υT. Таким образом, длина волны – это расстояние, на которое распространяется волна за время, соответствующее одному периоду.

Отсюда делаем вывод, что частицы будут колебаться в одинаковых фазах тогда, когда расстояние между ними будет равно nλ, где n – целое число.

Вспомним, что период и частота связаны формулой: T=1/ν. Поэтому выражение для длины волны можно переписать как: λ=υ/ν.

1. Как получают когерентные световые волны?
2. В чем состоит явления интерференции света?
3. С какой физической характеристикой световых волн связано различие в цвете?
4. После удара камнем по прозрачному льду возникают трещины, переливающиеся всеми цветами радуги. Почему?
5. Длина волны света в воде уменьшается в n раз (n — показатель преломления воды относительно воздуха). Означает ли это, что ныряльщик под водой не может видеть окружающие предметы в естественном свете?

1. Поток от одного источника разделяют на два потока, которые идут по разным путям, а затем соединяют в некоторой области пространства, называемой областью интерференции. Волны, образующие интерференционную картину в этом случае, когерентны, так как разность фаз колебаний, которые они возбуждают, зависит только от разности их хода и не зависит от времени. На рисунке 3.16 показаны бизеркалка Френеля, с помощью которых можно наблюдать интерференционную картину,

2. Интерференция света — это явление наложения световых волн, в результате которого наблюдается устойчивая во времени картина максимумов и минимумов интенсивности света в различных точках пространства.

3. Различие в цвете связано с различием в длине волны (или частоте) световых волн.

4. При ударе отслаиваются тонкие слои льда. Свет, падая, отражается от верхней поверхности и от поверхности трещины. Две отраженные волны и когерентны. В зависимости от разности хода выполняются условия максимума для разных длин волн. Мы наблюдаем интерференционную картину в тонкой пленке, которая представляет собой чередование разноцветных полос.

5. Длина волны света уменьшается в воде, однако частота световой волны остается прежней, и ныряльщик видит под водой предметы в естественном свете. Обратим внимание на то, что показатель преломления воды приблизительно равен показателю преломления хрусталик глаза, поэтому его оптическая сила уменьшается, фокусное расстояние увеличивается, глаз становится дальнозорким. Так как длина волны в воде и в глазе изменяется одинаково, то окружающие предметы он видит в естественном свете.

Предложена методика использования компьютерных моделей в учебных исследованиях волновых процессов и явлений. Указано на аналогии, присутствующие в научном и учебном исследовании. Кратко представлен перечень волновых процессов и явлений, которые можно изучать согласно методике, предлагаемой автором статьи.

Ключевые слова: абстрагирование, учебные компьютерные модели, волновые явления, волновые процессы, волны, цуг, обучение физике, наблюдение, сравнение, измерение, эксперимент, информационные технологии, общенаучные методы исследования, теоретические методы, эмпирические методы, вычислительный эксперимент

Проблема организации учебного процесса с использованием современных информационных технологий является актуальной в системе образования [4, с. 4]. Внедрение информационных технологий в научные исследования приводит к превращению этих исследований в развитую форму рациональной деятельности, предполагающей творчество, абстрагирование и идеализацию с опорой на воображение и интуицию. К общенаучным методам исследования относят [4, с. 11]:

– анализ и синтез;

– индукцию и дедукцию;

– аналогию и моделирование;

– аксиоматический и логический методы;

– исторический, системный, комплексный, структурный и функциональный подходы.

По функциям методы можно разделить на эмпирические и теоретические. Для эмпирических характерны установление и накопление новых фактов, анализ, синтез, обобщение для выявления практических закономерностей. На теоретическом уровне осуществляют синтез знаний, выдвигают и формулируют теоретические закономерности. Эти два вида методов дополняют друг друга. Существуют также фундаментальные исследовательские подходы, в которых частные методы могут приобретать дополнительную специфику. К числу таких подходов относят, например, натурный и модельный.

Сейчас можно говорить о том, что появились новые формы исследований, одной из которых является вычислительный эксперимент. Причем, использование этого эксперимента стало возможным не только в научных исследованиях, но и в учебных [1; 2]. В первую очередь, это связано с тем, что автоматизированные средства вычислений (компьютеры) получили широкое распространение во всех сферах деятельности человека, в том числе и в образовании [3; с. 4–9].

Рис. 1. Бесконечная волна

Компьютерные модели, с помощью которых может быть организовано учебное исследование, позволяют организовать его так, как это происходило бы при эмпирическом исследовании. Отличие заключается в том, что объектом исследования является не реальный объект, а его математическая модель, параметры которой рассчитываются с помощью специального алгоритма, реализуемого компьютером. При этом для такого исследования также могут быть характерны наблюдение, сравнение, измерение, эксперимент.

На рис. 1 показано окно приложения, разработанного нами для учебных исследований волновых процессов и явлений. Приложение реализует учебную компьютерную модель, позволяющую познакомить учащихся с идеальными представлениями о волнах. В нем предусмотрено моделирование одиночной волны, цуга волны и бесконечной волны. Пользователь программы может изменять положение точечного источника волны, амплитуду колебаний источника, частоту этих колебаний, фазовую скорость распространения волны. Кроме того, возможно создание неоднородностей в среде, где распространяется волна, в виде непрерывных участков (имеющих некоторый показатель преломления относительно этой среды) и непроходимых для волны препятствий.

Рис. 2. Распространение бесконечной волны в замкнутом пространстве

При работе с моделью под наблюдением будет пониматься планомерное, систематическое и целенаправленное восприятие обучающимися визуализированной модели волнового процесса в целом и отдельных ее сторон. Под сравнением — установление сходства и различия моделей волновых процессов путем их сопоставления непосредственно и опосредованно. Измерения будут подразумевать определение численных значений некоторых величин, характеризующих моделируемый волновой процесс. Кроме численной оценки может осуществляться и проверка достоверности измерений. Эксперимент в нашем случае — это изучение моделей волновых процессов, основанное на активном, целенаправленном воздействии на модель обучающихся путем создания специальных условий, необходимых для проявления тех или иных свойств модели.

Рассмотрим тематику некоторых учебных исследований, которые могут провести учащиеся с компьютерной программой, моделирующей волны.

Распространение волн. На рис. 1 показана картина, соответствующая ситуации, когда в центре визуализирующей части окна приложения расположен точечный источник гармонической волны. Обучающиеся видят, что такие волны обладают пространственным периодом, который называется длиной волны. Программа позволяет изменять этот параметр моделируемых волн, что способствует созданию в сознании учащихся наглядно-чувственных образов волновых процессов. Кроме того, возможно изменение скорости распространения волны. Еще очень важным преимуществом программы является то, что она предоставляет возможность ограничить область распространения волны. Например, на рис. 2 показана ситуация, когда волна от источника, находящегося в центре видимой наблюдателем области, отражается от ее границ. В результате получается такая необычная для зрительного восприятия картина, которая, безусловно, вызовет интерес у обучающихся.

На рис. 3 и 4 источник, расположенный в том же месте, что и в предыдущем случае, испускает одиночную волну и цуг волны соответственно. Под одиночной волной здесь подразумевается короткое одиночное возмущение (солитон). Понятие цуга связано с волновым пакетом. Волновой пакет — это последовательность возмущений, ограниченных во времени, с перерывами между ними. Одно такое беспрерывное возмущение и называют цугом волны.

Рис. 3. Одиночная волна

Рис. 4. Цуг волны

Преломление волн. Важным моментом при изучении волновых процессов является рассмотрение преломления волн на границе раздела двух сред. На рис. 5 представлена такая ситуация, когда происходит переход волны из среды с одним показателем преломления в среду с другим показателем преломления. Видно, что этот процесс сопровождается еще и отражением волны от границы раздела сред. В программе отсутствует представление, которое можно встретить в рамках лучевого описания волновых процессов, однако учащиеся могут сами попытаться обнаружить описываемые в этой теории закономерности.

Рис. 5. Волновые явления на границе раздела двух сред

Отражение волн. Результат отражения волн можно наблюдать на рис. 2 и рис. 5–10. Исходя из анализа такого наблюдения, можно говорить о том, что отражение — это переизлучение волн препятствиями с изменением направления распространения вплоть до смены на противоположное. Наблюдатель также имеет возможность убедиться в том, что между источником волны и отражающей поверхностью возникает стоячая волна — результат наложения падающей на отражающую поверхность и отраженной от нее волн.

Огибание волнами препятствий. Это явление можно увидеть, например, на рис. 6 и 7. На них видно, что волна попадает в область так называемой геометрической тени.

Рис. 6. Отражение волны от препятствия и огибание его волной

Рис. 7. Отражение цуга волны от препятствия и огибание его цугом

Рис. 8. Прохождение волны сквозь щель

Дифракция волн. Дифракция волны на щели показана на рис. 8, 9 и 10. Видно, как изменяется картина при изменении ширины щели (рис. 8 и 9) и длины волны (рис. 9 и 10). Изначально явление дифракции рассматривалось как огибание волнами препятствий, то есть проникновение волн в область геометрической тени. С точки зрения современной физической науки определение дифракции как огибания волнами препятствия признается недостаточным (слишком узким) и не вполне адекватным. С дифракцией связывают весьма широкий круг явлений, возникающих при распространении волн. Дифракция волн может проявляться в преобразовании структуры волн, которое может рассматриваться как огибание волнами препятствий, так и как расширение волновых пучков и их отклонение в определенном направлении.

Рис. 9. Уменьшение ширины щели

Рис. 10. Изменение длины волны

Наглядность, реализуемая с помощью компьютерных программ, одна из которых представлена в этой статье, может рассматриваться как образное восприятие явлений и процессов с помощью моделей, которые создаются на основе живого созерцания [3, с. 46]. Такой вид наглядности в нашем случае связан с формированием (моделированием) наглядных образов волновых процессов.

Основные термины (генерируются автоматически): волна, огибание волнами, одиночная волна, процесс, бесконечная волна, показатель преломления, цуг волны, волновой пакет, вычислительный эксперимент, стоячая волна.

Ключевые слова

абстрагирование, учебные компьютерные модели, волновые явления, волновые процессы, волны, цуг, обучение физике, наблюдение, сравнение, измерение, эксперимент, информационные технологии, общенаучные методы исследования, теоретические методы, эмпирические методы, вычислительный эксперимент

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобретя в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока "Волновые явления. Характеристики волны"

Помимо обычного колебательного движения в узкой области пространства, возможно ещё и распространение этих колебаний в среде. Вы знаете, что отдельные частицы любого тела — твёрдого, жидкого или газообразного — взаимодействуют друг с другом. Поэтому если какая-либо частица тела начинает совершать колебательные движения, то в результате взаимодействия между частицами это движение начинает с некоторой скоростью распространяться во все стороны.

Процесс распространения колебаний в пространстве с течением времени называется волновым процессом. А последовательное возникновение колебаний в точках, удалённых от источника, называется волной.

Наиболее отчётливо главные особенности волнового движения можно увидеть, если рассматривать волны на поверхности воды. Например, если мы бросим камень в воду, то в месте его падения по воде пойдут круги — это волны. Если на пути такой волны поместить поплавок, то он начнёт колебаться вверх-вниз, оставаясь при этом практически на месте. Из такого простого наблюдение вытекает одно из важнейших свойств волн: при возбуждении волны происходит процесс распространения колебаний, но не перенос вещества.

Колеблющееся тело, возбуждающее волновое движение частиц среды, называется источником волны или вибратором.

Механизм образования волны можно представить следующим образом. Источник колебаний (например, камертон) воздействует на частицы упругой среды, соприкасающиеся с ним, и заставляет их совершать вынужденные колебания. Среда вблизи источника деформируется, и в ней возникают силы упругости, препятствующие деформации. Если частицы среды сближаются, то возникающие силы их отталкивают, а если удаляются друг от друга, то, наоборот, притягивают. Постепенно силы будут действовать на все более удалённые от источника частицы среды, приводя их в колебательное движение. В результате оно будет распространяться в виде волны.

Механические волновые явления имеют огромное значение в повседневной жизни людей. К этим явлениям относится не только распространение звуковых колебаний, благодаря которым мы можем слышать на расстоянии. Мелкая рябь на поверхности озера и огромные океанские волны — это тоже механические волны, хотя и иного типа.

Мы будем рассматривать только бегущие волны. Их основное отличие от других волн заключается в том, что они, распространяясь в пространстве, переносят энергию без переноса вещества.

В зависимости от направления колебаний частиц по отношению к направлению, в котором распространяется волна, различают два вида волн: продольные и поперечные.

Поперечной называется волна, если частицы среды совершают колебания в направлении, перпендикулярном к направлению распространения волны.

Рассмотрим подробнее процесс образования поперечных волн на примере волновой машины. В качестве колеблющихся частиц здесь выступают шарики, связанные друг с другом системой пружин (они спрятаны сзади). Источником колебаний будет выступать наша рука, вращающая рукоятку. Предположим, что вызванные нами колебания будут происходить вдоль оси игрек по гармоническому закону.

Обозначим буквами А, В, С и так далее частицы, отстоящие друг от друга на расстоянии в четверть периода, то есть на расстоянии, проходимом волной за одну четвёртую часть периода колебаний, совершаемых частицами. Будем считать, что волна распространяется вдоль оси икс слева направо. Заставим первую частицу двигаться вверх. Из-за возникающих сил упругости она потянет за собой остальные частицы. Однако на возникновение деформации и сил упругости потребуется некоторое время. Поэтому спустя четверть периода частица А достигнет своего крайнего верхнего положения. В этот момент своё движение вверх начнёт частица В. Спустя ещё четверть периода первая частица будет проходить положение равновесия, двигаясь в направлении сверху вниз. Частица В достигнет своего крайнего верхнего положения. И в этот момент начнёт своё движение вверх частица, обозначенная нами буквой С. Спустя ещё четверть периода первая частица закончит полный цикл колебания и будет находиться в таком же состоянии движения, как и в начальный момент. А вся волна к этому моменту времени, достигнет частицы D. Теперь все наши частицы расположены так, что образуют волну, состоящую из впадины и горба. В дальнейшем, благодаря силам взаимодействия каждая частица в цепочке будет повторять движение первой, но с некоторым запаздыванием, которое будет тем больше, чем дальше находится частица от источника волны.

Отметим, что поперечные волны возникают только в твёрдых телах, так как сдвиг слоёв относительно друг друга в газах и жидкостях не приводит к появлению сил упругости.

Но колебания частиц среды могут происходить не только перпендикулярно, но и вдоль направления распространения волны. Такие волны называются продольными.

Пронаблюдать закономерности продольных волн мы можем также на волновой машине, заставив шарики-частицы двигаться не вверх-вниз, а вправо-влево. Как видно, при прохождении продольной волны в среде создаются чередующиеся сгущения и разрежения частиц, перемещающиеся в направлении распространения волны с некоторой конечной скоростью.

Так как растягиваться и сжиматься может любая среда, то продольные механические волны могут распространяться в любых средах — твёрдых, жидких и газообразных.

На основании рассмотренных нами опытов мы можем сделать несколько очень важных выводов:

Во-первых, смещение каждой точки от положения равновесия происходит с течением времени периодически.

Во-вторых, смещения всех точек в каждый момент времени периодически изменяются от точки к точке, то есть являются периодической функцией координат.

А в-третьих, колебания частиц среды, в которой распространяется волна, являются вынужденными колебаниями, частота которых равна частоте колебаний источника волны.

Однако скорость распространения волны зависит от среды, в которой она распространяется. В основном это связано с тем агрегатным состоянием, в котором находится вещество. Напомним, что в твёрдых телах частицы расположены близко друг к другу и связь между ними велика. Следовательно, и скорость распространения волны в твёрдых телах будет самой высокой. В жидкостях частицы расположены дальше друг от друга и слабее взаимодействуют друг с другом. Поэтому скорость волн в них будет меньше, чем в твёрдых телах, но гораздо больше, чем в газах, так как в последних взаимодействие между частицами практически отсутствует.

Все время, пока существует волна, частицы среды совершают колебания около своих положений равновесия и смещаются от него не более чем на амплитуду. При этом различные частицы колеблются со сдвигом по фазе, за исключением тех, положения равновесия которых находятся друг от друга на расстоянии υТ. Так вот, расстояние между ближайшими частицами, колеблющимися в одинаковой фазе, называется длиной волны. Очевидно, что длина волны равна тому расстоянию, на которое распространяется волна за период:

Необходимо помнить, что в действительности колеблются не только частицы, расположенные вдоль оси, а совокупность частиц, заключённых в некотором объёме. Распространяясь от источника колебаний, волновой процесс охватывает все новые и новые части пространства. Геометрическое место точек, до которых доходят колебания к данному моменту времени, называется фронтом волны (или волновым фронтом). Он представляет собой ту поверхность, которая отделяет часть пространства, уже вовлечённую в волновой процесс, от области, в которой колебания ещё не возникли

Геометрическое место точек, колеблющихся в одинаковой фазе, образуют волновую поверхность. Её можно провести через любую точку пространства, охваченного волновым процессом. Поэтому волновых поверхностей существует бесконечное множество, в то время как волновой фронт в каждый момент времени только один. Кроме этого, волновой фронт всё время движется в то время, как волновые поверхности остаются неподвижными.

Волновые поверхности могут быть любой формы. В простейших случаях они имеют форму плоскости или сферы. Соответственно волна в этих случаях называется плоской или сферической. В плоской волне волновые поверхности представляют собой систему параллельных друг другу плоскостей, перпендикулярных к направлению распространения волны. Такие волны можно получить на поверхности воды в плоской ванночке с помощью колебаний плоского стержня.

В сферической волне волновые поверхности представляют собой концентрические сферы. Такая волна распространяется с одинаковой скоростью по всем направлениям. Сферическую волну может создать пульсирующий в однородной упругой среде шар.

А теперь, для закрепления нового материала решим с вами такую задачу. На рисунке изображён участок натянутого резинового шнура, по которому распространяется поперечная волна со скоростью 8 м/с. Определите частоту колебаний её источника.

В заключение отметим, что некоторые волновые процессы, наблюдаемые в природе, нередко переносят огромную энергию и являются причиной разрушений. К ним, например, относятся морские волны и, особенно, цунами. А также сейсмические волны, распространяющиеся в земной коре при землетрясениях или мощных взрывах.

Волны окружают нас везде, так как мы живем в мире движений и звуков. Какова природа волнового процесса, в чем суть теории волновых процессов? Рассмотрим это на примере опытов.

Понятие о волнах в физике

Изучаемые волновые процессы в физике, могут наблюдаться в виде радиоволн, звуковых, волн сжатия при использовании голосовых связок. Они распространяются по воздуху.

Для визуального определения понятия в лужу бросают камень и характеризуют распространение эффектов. Это пример гравитационной волны. Она возникает вследствие поднятия и опускания жидкости.

Акустика

У акустики, как и у других разделов физики, ещё много неразгаданных тайн. Их ещё предстоит открыть. Займемся рассмотрением волнового процесса в акустике.

Это понятие связано с наличием колебательных движений, которые производятся частицами среды. Звук – это ряд колебательных процессов, связанный с возникновением волн. В процессе образования в среде сжатий и разряжений и возникает волновой процесс.

Показатели длины волн зависят от характера среды, где имеют место колебательные процессы. Практически все явления, которые происходят в природе, связаны с наличием звуковых колебаний и звуковых волн, которые распространяются в среде.

Примеры определения волнового процесса в природе

Эти движения могут информировать о явлении волнового процесса. Высокочастотные звуковые волны могут распространяться на тысячи километров, например, если происходит извержение вулкана.

При землетрясении идут сильные акустические и геоакустические колебания, которые можно зарегистрировать специальными звуковыми приёмниками.

При подводном землетрясении имеет место интересное и страшное явление – цунами, которое представляет собой огромную волну, возникшую при мощном подземном или подводном проявлениях стихии.

Благодаря акустике можно получить информацию о том, что приближается цунами. Многие из таких явлений известны издавна. Но до сих пор некоторые понятия физики требуют тщательного изучения. Поэтому для исследования загадок, которые ещё не раскрыты, приходят на помощь именно звуковые волны.

Теория тектоники

Для понимания описанного процесса важно освободиться от стереотипов и привычных взглядов, осознать другие виды бытия.

Дальнейшие достижения науки

Геологическая жизнь на земле имеет свое время и состояние материи. Науке удалось воссоздать подобие. На дне океана происходит непрерывное движение, при котором возникают разрывы и образования рифтовых хребтов, когда новое вещество из глубин земли поднимается на поверхность и постепенно остывает.

В это время на суше происходят процессы, когда на поверхности земной мантии плавают колоссальные плиты литосферы – верхней каменной оболочки земли, которая несет на себе материки и морское дно.

Число таких плит насчитывает около десяти. Мантия неспокойна, поэтому литосферные плиты начинают двигаться. В лабораторных условиях этот процесс имеет вид изящного опыта.

В природе это грозит геологической катастрофой – землетрясением. Причиной движения литосферных плит являются глобальные процессы конвекции, которые происходят в глубинах земли. Результатом бурления будут цунами.

Япония

Пристально следя за дыханием земной тверди, можно предсказать грозящую катастрофу. Для изучения колебательных процессов в толщу земли внедрили сверхглубокую буровую. Она проникла на глубину 12 км и позволила ученым сделать выводы о наличии внутри земли определенных пород.

Скорость электромагнитной волны изучают на уроках физики в 9 классе. Показывают опыт с грузиками, расположенными на равном расстоянии друг от друга. Они связаны одинаковыми пружинками обычного вида.

Если сместить первый грузик вправо на определенное расстояние, второй некоторое время остается в прежнем положении, но пружинка уже начинает сжиматься.

Поскольку произошёл такой процесс, возникла сила упругости, которая будет толкать второй грузик. Он получит ускорение, через некоторое время наберет скорость, сместится в этом направлении и сожмет пружинку между вторым и третьим грузиком. В свою очередь, третий получит ускорение, начнет разгоняться, сместится и повлияет на четвертую пружинку. И так процесс будет происходить на всех элементах системы.

При этом смещение второго груза по времени будет происходить позже, чем первого. Следствие всегда запаздывает по отношению к причине.

Также смещение второго груза повлечет за собой смещение третьего. Данный процесс имеет тенденцию распространяться вправо.

Если первый груз начал колебаться по гармоническому закону, тогда этот процесс распространится и на второй грузик, но с запоздалой реакцией. Следовательно, если заставить колебаться первый груз, можно получить колебание, которое распространится в пространстве с течением времени. Это и есть определение волны.

Разновидности волн

Представим вещество, которое состоит из атомов, они:

обладают массой – как предложенные в опыте грузики;
соединяются друг с другом, образуя твердое тело путем химических связей (как рассмотренные в опыте с пружинкой).

Существует два типа упругих волн. Для их определения можно взять длинную пружину, закрепить её с одной стороны и растянуть вправо. Так можно увидеть, что направление распространения волны – вдоль пружины. Частицы среды смещаются в том же самом направлении.

Если растянуть пружинку и дать ей время прийти в состояние покоя, а потом резко изменить положение в вертикальном направлении, будет видно, что волна распространяется вдоль пружины и многократно отражается.

Но направление колебания частиц теперь вертикальное, а распространение волны – горизонтальное. Это поперечная волна. Она может существовать только в твердых телах.

Скорость электромагнитной волны разного вида отличается. Этим свойством успешно пользуются сейсмологи, чтобы определить расстояние до очагов землетрясения.

Когда распространяется волна, отмечается колебание частиц вдоль или поперек, но это не сопровождается переносом вещества, а только движением. Так указано в учебнике "Физики" 9 класс.

Характеристика волнового уравнения

Волновое уравнение в физической науке – разновидность линейного гиперболического дифференциального уравнения. Оно используются также для других областей, которые охватывает теоретическая физика. Это одно из уравнений, которые применяет для расчетов математическая физика. В частности, описываются гравитационные волны. Применяются для описания процессов:

в акустике, как правило, линейного типа;
в электродинамике.

Волновые процессы отображаются в вычислении для многомерного случая однородного волнового уравнения.

Отличие между волной и колебанием

Замечательные открытия следуют из размышлений над заурядным явлением. Галилей за эталон времени брал биение своего сердца. Так было открыто постоянство процесса колебаний маятника – одно из основных положений механики. Оно абсолютно лишь для математического маятника – идеальной колебательной системы, которая характеризуется:

положением равновесия;
силой, возвращающей тело в положение равновесия при его отклонении;
переходами энергии при возникновении колебания.

Для выведения системы из равновесия необходимо условие возникновения колебания. При этом сообщается определенная энергия. Разным колебательным системам требуются различные виды энергии.

Колебанием называется процесс, который характеризуется постоянным повторением движений или состояний системы в определенные периоды времени. Наглядной демонстрацией колебательного процесса является пример качающегося маятника.

Колебательные и волновые процессы наблюдаются почти во всех природных явлениях.

Волна имеет функцию возмущать или изменять состояния среды, распространяемое в пространстве и несущее энергию без необходимости переносить вещество. Это отличительное свойство волновых процессов, они в физике изучаются давно. При исследованиях можно выделить длину волны.

Звуковые волны могут существовать во всех сферах, их нет только в вакууме. Особыми свойствами обладают электромагнитные волны. Они могут существовать везде, даже в вакууме.

Энергия волны зависит от её амплитуды. Круговая волна, распространяясь от источника, рассеивает энергию в пространстве, поэтому её амплитуда быстро уменьшается.

Интересными свойствами обладает линейная волна. Её энергия не рассеивается в пространстве, поэтому амплитуда таких волн убывает только за счет силы трения.

Направление распространения волн изображается лучами – линиями, которые перпендикулярны к фронту волны.

Угол между падающим лучом и нормалью – это угол падения. Между нормалью и отраженным лучом – угол отражения. Равенство этих углов сохраняется при любом положении преграды относительно волнового фронта.

При встрече волн, движущихся в противоположных направлениях, может образовываться стоячая волна.

Итоги

Частицы среды между соседними узлами стоячей волны колеблются в одинаковой фазе. Таковы параметры волнового процесса, зафиксированные в волновых уравнениях. При встрече волн могут наблюдаться как увеличения, так и уменьшения их амплитуд.

Зная основные характеристики волнового процесса, можно определить амплитуду результирующей волны в данной точке. Установим, в какой фазе придет в эту точку волна от первого и второго источника. Причем фазы противоположны.

Если разность хода – нечетное число полуволн, амплитуда результирующей волны в этой точке будет минимальная. Если разность хода равна нулю или целому числу длины волн, в точке встречи будет наблюдаться увеличение амплитуды результирующей волны. Это интерференционная картина при сложении волн от двух источников.

Частота электромагнитных волн фиксируется в современной технике. Приёмное устройство должно регистрировать слабые электромагнитные волны. Если поставить отражатель, в приёмник попадет больше энергии волн. Систему отражателей устанавливают так, чтобы она создавала максимальный сигнал на приёмном устройстве.

Характеристики волнового процесса лежат в основе современных представлений о природе света и строении материи. Таким образом, при изучении их по учебнику физики 9 класса можно успешно научиться решать задачи из области механики.

Читайте также: