Распространение волн в упругих средах 11 класс конспект урока
Обновлено: 06.07.2024
На резиновом шнуре, по струне или в тонком стержне волны могут распространяться только по одному направлению — вдоль.
Если же газ, жидкость или твердое тело сплошь заполняют некоторую область пространства (сплошная среда), то возникшие в одном месте колебания распространяются по всем направлениям.
Волна при распространении от какого-либо источника в сплошной среде постепенно захватывает все более обширные области пространства
По форме фронта волны и волновых поверхностей проводится классификация волн.
Плоская волна. Волновая поверхность и луч.
Плоскую волну можно получить, если поместить в упругую среду большую пластину и заставить ее колебаться в направлении нормали к пластине.
Все точки среды, примыкающие к пластине с одной стороны, будут совершать колебания с одинаковыми амплитудами и фазами.
Эти колебания будут распространяться в виде волн в направлении нормали к пластине, причем все частицы среды, лежащие в плоскости, параллельной пластине, будут колебаться в одной фазе.
Поверхность равной фазы называется волновой поверхностью.
В случае плоской волны волновые поверхности представляют собой плоскости.
Так как все точки, принадлежащие одной волновой поверхности, колеблются одинаково, то уравнение плоской бегущей волны будет иметь вид
где
s — смещение всех точек волновой поверхности в данный момент времени.
Ось X совпадает с направлением распространения волны и перпендикулярна волновой поверхности.
Волна может считаться плоской лишь приближенно, т.к. на краях волновые поверхности искривляются.
Линия, нормальная к волновой поверхности, называется лучом.
Под направлением распространения волн понимают направление именно лучей.
Лучи для плоских волн представляют собой параллельные прямые.
Вдоль лучей происходит перенос энергии.
При распространении плоской волны размеры волновых поверхностей по мере удаления от пластины не меняются (или почти не меняются).
Поэтому энергия волны не рассеивается в пространстве и амплитуда колебаний частиц среды уменьшается только за счет действия сил трения.
На поверхности воды легко получить линейные волны, которые дают наглядное представление о плоских волнах в пространстве.
Для этого нужно стержень, слегка касающийся поверхности воды, заставить колебаться в направлении, перпендикулярном поверхности воды. Все частицы воды, находящиеся на прямой, параллельной стержню, будут колебаться в одинаковой фазе.
Фронтом волны называется геометрическое место точек, до которых дошли возмущения в данный момент времени.
Фронт волны отделяет часть пространства, в которой возникли колебания, от той части пространства, в которой колебаний нет.
Волновых поверхностей существует сколь угодно много, фронт волны один.
Очевидно, что фронт волны — волновая поверхность, на которой фаза колебаний равна нулю.
Сферическая волна
Другой пример волны в сплошной среде — это сферическая волна.
Она возникает, если поместить в среду пульсирующую сферу.
В этом случае волновые поверхности являются сферами.
Лучи направлены вдоль продолжений радиусов пульсирующей сферы.
Амплитуда колебаний частиц в сферической волне обязательно убывает по мере удаления от источника.
Энергия, излучаемая источником, в этом случае равномерно распределяется по поверхности сферы, радиус которой непрерывно увеличивается по мере распространения волны.
Механические волны. Физика, учебник для 11 класса - Класс!ная физика
- Для учеников 1-11 классов и дошкольников
- Бесплатные сертификаты учителям и участникам
ПЛАН-КОНСПЕКТ УРОКА . ( 2 курс СПОУ)
ТЕМА: Распространение механических колебаний в упругой среде. Поперечные и продольные волны. Длина волны.
Предметная (обучающая): познакомить с новыми понятиями : механическая волна, поперечная волна, продольная волна, длина волны
Метапредметная (развивающая): Расширить представления учащихся об окружающем мире, обилии волновых процессов в нем, развивать навыки анализа явлений с точки зрения физической науки, формировать логическое мышление, умение устанавливать и анализировать причинно-следственные связи.
Воспитательная (личностно-коммутационная): содействовать в ходе занятий формированию основных мировоззренческих идей: материальности мира, причинно-следственных связей между явлениями, воспитание умения самостоятельно добывать знания.
ФОРМИРУЕМЫЕ УУД:
Регулятивные : обозначение цели, выбор пути решения проблемы, выбор оптимальных методов решения, прогнозирование результата
Коммуникативные : умение выражать свои мысли, сотрудничество с учителем
Личностные : жизненное самоопределение
МЕЖПРЕДМЕТНЫЕ СВЯЗИ: математика, музыка, литература, метеорология, сейсмология, техника.
ДЕМОНСТРАЦИИ: волны на воде, поперечные и продольные волны. ОБОРУДОВАНИЕ: волновая машина, кодоскоп, ванна с водой, экран
ТИП УРОКА: урок усвоения новых знаний.
ФОРМЫ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ : эвристическая беседа, игра, создание проблемной ситуации, психологический тренинг, ассоциативные упражнения, работа в парах и группах.
1 .Организация класса. (приветствие, проверка отсутствия, психологический настрой на роботу)
Изучение нового материала:
а) Введение в тему (Психологическая игра).
волны на море
звуковая волна
сейсмическая волна
ударная волна
волны от брошенного в воду камня
волны на пшеничном поле
волна на стадионе и др.
_ Учитель : Давайте сделаем вывод о том, насколько распространены вокруг нас волновые процессы. Насколько они важны.
Учащиеся , обобщая жизненные наблюдения и личный опыт, делают вывод о распространенности и важности волновых процессов, приходят к осознанию необходимости изучения волновых процессов.
б) определение темы и целей урока:
Учитель: давайте еще раз обобщим все, что было сказано ранее, еще раз посмотрим на волны и попробуем определить тему и задачи урока.
Посмотрев данный видеоурок, учащиеся вспомнят, что называется механической волной и каковы её основные свойства. Мы также поговорим об особенностях распространения волн в упругих средах. Получим уравнение бегущей монохроматической волны. А также рассмотрим некоторые особенности отражения механических волн.
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 "Распространение волн в упругих средах. Уравнение гармонической бегущей волны"
Всё 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.
Напомним, что геометрическое место точек среды, колеблющихся в одинаковых фазах, образует волновую поверхность.
Волновую поверхность, отделяющую колеблющиеся частицы среды от частиц, ещё не начавших колебаться, называют фронтом волны.
Как отмечалось нами ранее, возмущение, создаваемое источником волны, передаётся от одной точки среды к другой не мгновенно, а с определённой конечной скоростью. Скоростью распространения волны называется физическая величина, определяемая расстоянием, которое проходит любая точка фронта волны за единицу времени.
Для указания направления распространения волн, используется понятие луча. Лучом мы будем называть линию, проведённую перпендикулярно волновому фронту в направлении распространения волны.
Ранее мы с вами показали, что при возбуждении волны происходит процесс распространения колебаний, но не перенос вещества. Следовательно, при распространении волн происходит перенос энергии упругой деформации и импульса без переноса вещества. При этом энергия волны в упругой среде состоит из кинетической энергии совершающих колебания частиц и потенциальной энергии упругой деформации среды.
На прошлом уроке мы с вами говорили о том, что расстояние между ближайшими частицами, колеблющимися в одинаковой фазе, называется длиной волны. Она равна тому расстоянию, на которое распространяется волна за период:
Так как период колебаний обратно пропорционален частоте колебаний, то скорость волны связана с частотой колебаний уравнением:
Выразим из этой формулы длину волны, а также воспользуемся связью частоты колебаний с их циклической частотой:
Отсюда видно, что при возникновении волн в среде их частота определяется частотой колебаний источника. А скорость распространения волны зависит от свойств среды. Поэтому волны одной и той же частоты имеют различную длину в разных средах.
Теперь давайте получим уравнение плоской волны, то есть волны, волновые поверхности которой представляют собой плоскости, перпендикулярные к направлению распространения волны.
Предположим, что вибратор совершает гармонические колебания, подчиняющиеся закону синуса (считаем, что начальная фаза колебаний равна нулю):
В записанной формуле s — это смещение колеблющейся точки от положения равновесия, а sm — амплитуда колебаний.
В точках, отстоящих на расстоянии х от источника, колебания частиц среды волнового фронта будут также гармоническими, с той же частотой, но будут отставать от колебаний источника на время:
Эти точки также начнут также совершать гармонические колебания с той же частотой, но с запаздыванием на время τ. Колебания в точке х будут происходить с той же амплитудой, но с другой фазой:
Это и есть уравнение плоской бегущей монохроматической волны. При этом считают, что в процессе распространения волны её затуханием можно пренебречь. Из уравнения видно, что смещение любой точки среды из равновесного положения при прохождении волны является функцией двух переменных: времени и расстояния до равновесного положения точки среды.
Из этого уравнения также следует, что амплитуда плоской незатухающей волны в данной точке среды постоянна и равна амплитуде колебаний источника. Также видно, что любая точка среды совершает гармонические колебания, начальная фаза которых зависит от удаления данной точки от источника колебаний:
А положения колеблющихся точек среды в некоторый фиксированный момент времени описываются уравнением, которое вы сейчас видите на экране:
А теперь давайте с вами найдём разность фаз колебаний двух точек среды, находящихся на некотором расстоянии друг от друга:
Запишем уравнения, описывающие колебания этих двух точек:
Теперь найдём их разность фаз (напомним, что фазой колебания является аргументом периодической функции):
Перепишем полученное уравнение, воспользовавшись формулой, связывающей циклическую частоту с периодом колебаний:
В знаменателе формулы мы получили произведение периода колебаний и скорости волны, а это, как мы помним, есть длина волны:
Из последнего равенства следует, что если две точки находятся друг от друга на расстоянии длины волны, то разность фаз колебаний этих точек равна 2π, что соответствует данному нами ранее определению длины волны.
Теперь, для закрепления нового материала, давайте решим с вами задачу. Определите частоту звуковых колебаний в воздухе, если расстояние между двумя ближайшими точками волны, отличающимися по фазе на π, составляет 50 см. Для удобства будем считать, что скорость звука равна 340 м/с.
Уроки по физике на тему "Механические волны", Общее определение волны, определение механической волны, виды волн,свойства волн, характеристики волн, подборка заданий для определения длины волны, скорости волны.
| Вложение | Размер |
|---|---|
| 24-25_volnovye_yavleniya._rasprostranenie_mekh._voln._dlina_volny._skorost_ras_prostraneniya_volny._reshenie_zadach.doc | 46.5 КБ |
Предварительный просмотр:
24-25.Волновые явления. Распространение механических волн. Длина волны. Скорость распространения волны. Решение задач.
Мы переходим к изучению вопросов, связанных с волнами. Поговорим о том, что такое волна, как она появляется и чем характеризуется. Оказывается, помимо просто колебательного процесса в узкой области пространства, возможно еще и распространение этих колебаний в среде, именно такое распространение и есть волновое движение.
Перейдем к обсуждению этого распространения. Чтобы обсудить возможность существования колебаний в среде, мы должны определиться с тем, что такое плотная среда. Плотной средой называют такую среду, которая состоит из большого числа частиц, взаимодействие которых очень близко к упругому. Представим следующий мысленный эксперимент.
Рис. 1. Мысленный эксперимент
Поместим в упругую среду шар. Шар будет сжиматься, уменьшаться в размерах, а потом расширяться наподобие биения сердца. Что в этом случае будет наблюдаться? В этом случае частицы, которые прилегают вплотную к этому шару, будут повторять его движение, т.е. удаляться, приближаться – тем самым будут совершать колебания. Поскольку эти частицы взаимодействуют с другими более удаленными от шара частицами, то они также будут совершать колебания, но с некоторым запаздыванием. Частицы, которые к этому шару прилегают вплотную, совершают колебания. Они будут передаваться другим частицам, более далеким. Таким образом, колебание будет распространяться по всем направлениям. Обратите внимание, в данном случае произойдет распространение состояния колебаний. Такое распространение состояния колебаний мы и называем волной. Можно сказать, что
Процесс распространения колебаний в упругой среде с течением времени называется механической волной.
Обратите внимание: когда мы говорим о процессе возникновения таких колебаний, надо говорить о том, что они возможны, только если существует взаимодействие между частицами. Другими словами, волна может существовать только тогда, когда есть внешняя возмущающая сила и силы, которые противостоят действию силы возмущения. В данном случае это силы упругости.
Механические волны могут распространяться в упругой среде .
Упругой, называется среда, которая состоит из большого количества частиц, взаимодействующих между собой силами упругости.
Процесс распространения в данном случае будет связан с тем, какова плотность и сила взаимодействия между частицами данной среды.
Отметим еще одну вещь.
Волна не переносит вещества . Ведь частицы совершают колебания возле положения равновесия. Но вместе с тем волна переносит энергию. Этот факт можно проиллюстрировать волнами цунами. Вещество не переносится волной, но волна переносит такую энергию, которая приносит большие бедствия.
Поговорим о типах волн. Существуют две разновидности – волны продольные и поперечные. Что такое продольные волны ? Эти волны могут существовать во всех средах. И пример с пульсирующим шаром внутри плотной среды – это как раз пример образования продольной волны. Такая волна представляет собой распространение в пространстве с течением времени. Вот это чередование уплотнения и разряжения и представляет собой продольную волну. Еще раз повторюсь, что такая волна может существовать во всех средах – жидких, твердых, газообразных.
Продольной называется волна, при распространении которой частицы среды совершают колебания вдоль направления распространения волны.
Рис. 2. Продольная волна
Что касается поперечной волны, то поперечная волна может существовать только в твердых телах и на поверхности жидкости.
Поперечной называется волна, при распространении которой частицы среды совершают колебания перпендикулярно направления распространения волны.
Рис. 3. Поперечная волна
Скорость распространения продольных и поперечных волн разная, но это уже тема следующих уроков.
Длина волны. Скорость распространения волн
l – длина волны [м]
Что такое длина волны?
Рис. 1. Длина волны, амплитуда волны
Говорить о длине волны в продольной волне сложнее, потому что там пронаблюдать частицы, которые совершают одинаковые колебания, гораздо труднее. Но и там есть характеристика – длина волны , которая определяет расстояние между двумя частицами, совершающими одинаковое колебание, колебание с одинаковой фазой.
Следующая характеристика – это скорость распространения волны (или просто скорость волны). Скорость волны обозначается, так же как и любая другая скорость, буквой V и измеряется в м/с. Как наглядно объяснить, что такое скорость волны? Проще всего это сделать на примере поперечной волны. Представьте себе летящую над гребнем волны чайку. Ее скорость полета над гребнем и будет скоростью самой волны.
Рис. 2. К определению скорости волны
Скорость можно определить как отношение длины волны, расстояние, пройденное волной за 1 период, к периоду колебания частиц среды, в которой распространяется волна. Кроме этого, вспомним, что . Тогда имеем еще одно соотношение для скорости волны: V = lν.
Важно заметить, что
при переходе волны из одной среды в другую изменяются ее характеристики: скорость движения волн, длина волны. А вот частота колебания остается прежней.
Прежде, чем начать решение задач, ответим на вопросы:
1. В чем состоит основное свойство всех волн независимо от их природы?
2. Почему в газах и жидкостях не могут существовать поперечные волны?
3. Какое тело может создавать в окружающей среде звуковую волну?
Решить задачи на применение вышеизученного материала:
При решении задач скорость звука в воздухе считается заданной и равной 330 м/с.
1. В океанах длина волны достигает 300 м, а период 13,5 с. Определите скорость распространения такой волны.
2. Определите длину звуковой волны при частоте 200 Гц.
3. Наблюдатель услышал звук артиллерийского выстрела через 6 с после того, как увидел вспышку. На каком расстоянии от него находилось орудие?
4. Длина звуковых волн, излучаемых скрипкой. может изменяться от 23 мм до 1,3 м. Каков диапазон частот скрипки?
5. Расстояние до преграды, отражающей звук, равно 66 м. Через сколько времени человек услышит эхо?
Можно предложить ещё ряд задач и решить их с помощью планшета, например Р №№ 439-444.
Читайте также: