Распространение колебаний в среде волны кратко
Обновлено: 05.07.2024
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.
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.
На этом занятии мы выясним, как происходит распространение колебаний в среде. Узнаем, что называется механической волной. Познакомимся с основным свойством бегущих волн любой природы. Выясним, какие волны называются упругими. Узнаем, чем отличаются друг от друга продольные и поперечные волны. А также познакомимся с основными характеристиками волнового движения.
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 колебаний в среде. Волны. Характеристики волн"
Подобное волновое движение можно наблюдать и на таком опыте. Соединим в цепочку несколько горизонтальных пружинных маятников. Если на один конец полученной системы подействовать внешней периодической силой, то по цепочке будет распространяться волна. При ритмичном воздействии витки, подобно маятнику, колеблются возле положений равновесия, то сближаясь, то удаляясь друг от друга.
Эти колебания постепенно передаются от витка к витку вдоль всей пружины, то есть происходит процесс распространения колебаний.
Рассмотренная система (цепочка шариков, связанных между собой пружинами) представляет собой простейшую (одномерную) модель упругой среды. То есть, среда называется упругой, если её частицы связаны между собой силами упругости.
Результаты экспериментов показывают, что колебания, возбуждённые в какой-либо точке упругой среды, с течением времени передаются в её другие точки.
Процесс распространения колебаний в упругой среде, который сопровождается передачей энергии от одной точки среды к другой, называется механической или упругой волной.
Источником механических волн всегда является какое-либо колеблющееся тело. Колеблющееся тело, которое создаёт волновое движение в окружающей среде, называется источником колебаний (или вибратором).
Мы будем рассматривать только бегущие волны. Основное свойство бегущих волн заключается в том, что они, распространяясь в пространстве, переносят энергию без переноса вещества.
Понаблюдаем это на опыте. Поместим на поверхность воды в сосуде лёгкий поплавок. Осторожно рядом поместим ещё один поплавок. Как видим, появление второго поплавка никак не сказывается на первом, и можно считать, что поплавки не взаимодействуют.
Но вернёмся ещё раз к нашей модели упругих волн — цепочке шариков и пружинок. Мы наблюдали, как распространяются в виде волны колебания, вызванные смещением первого шарика вправо. Все частицы колеблются вдоль горизонтальной прямой и вдоль неё же распространяются колебания. Так вот, волна, в которой колебания происходят вдоль той же прямой, что и их распространение, называется продольной волной.
Кроме продольных волн, существует ещё и поперечные волны. Поперечными называются волны, распространяющиеся в направлении, перпендикулярном направлению колебаний частиц в волне.
Пронаблюдать поперечную волну можно на таком примере. Возьмём гибкий шнур (например, резиновый), один конец которого жёстко закреплён. Если другой конец шнура начат двигать вверх-вниз, то есть возбуждать колебания в вертикальной плоскости, то колебания будут распространяться вдоль всего шнура́. В нём возникают волны, а колебания частиц происходит перпендикулярно направлению распространения волн.
Движение частиц среды, в которой возникают как продольные, так и поперечные волны, можно наглядно показать на волновой машине. Каждый её шарик можно представить, как часть вертикального слоя вещества, расположенного перпендикулярно плоскости рисунка. При распространении поперечной волны, шарики будут сдвигаться друг относительно друга, колеблясь в вертикальном направлении.
Поэтому поперечные волны — это волны сдвига. В жидкостях и газах упругая деформация сдвига не возникает, так как смежные слои жидкости или газа могут свободно скользить друг по другу без проявления упругих сил. Следовательно, поперечные волны могут существовать только в твёрдых средах.
Если в волновой машине создать продольную волну, то не трудно заметить, что шарики испытывают смещения вдоль цепочки, а волна представляет собой чередующиеся уплотнения и разряжения.
Так как растягиваться и сжиматься может любая среда, то продольные механические волны могут распространяться в любых средах — твёрдых, жидких и газообразных.
Ещё раз подчеркнём, что главное отличие упругих волн в среде от любого другого упорядоченного движения её частиц состоит в том, что распространение волн не связано с переносом вещества среды, то есть частицы среды колеблются вблизи положения равновесия.
Рассмотрим более подробно процесс образования поперечной волны, используя модель из цепочки шариков, взаимодействующих между собой посредством силы упругости. Давайте приведём первый шарик в движение и заставим его совершать колебания. Будем рассматривать, как распространяется волна через каждые четверть периода колебания первого шарика.
При смещении первого шарика возникнут силы упругости, которые заставят второй шарик двигаться вслед за первым. Это приводит к возникновению сил упругости между шариками 2 и 3 и так далее. Однако на возникновение деформации и сил упругости потребуется некоторое время. Поэтому второй шарик начнёт колебаться позднее первого, шарик 3 — позднее 2 шарика и так далее. Таким образом, благодаря силам взаимодействия каждый шарик в цепочке будет повторять движение первого, но с некоторым запаздыванием. Это запаздывание будет тем больше, чем дальше от первого шарика находится данный шарик.
За время, равное периоду колебаний, волна распространяется от первого шарика до девятого. Расстояние, на которое распространяется волна за время, равное периоду колебаний, называют длиной волны. Или можно сказать, что длиной волны называют расстояние между двумя ближайшими гребнями или впадинами поперечной волны; либо это расстояние между двумя ближайшими сгущениями или разрежениями продольной волны.
Длину волны обозначают греческой буквой лямбда. Её основной единицей в СИ является метр.
Раз волна — это колебание, то волне будут присущи все характеристики, которые соответствуют колебанию: амплитуда, период колебания и частота.
Вспомним, что амплитуда — это максимальное смещение тела от положения равновесия. Промежуток времени, в течение которого тело совершает одно полное колебание, называется периодом. А число колебаний в единицу времени называется частотой колебаний.
Кроме этого возмущение, создаваемое колеблющимся в упругой среде телом, передаётся от одной точки среды к другой. Это происходит не мгновенно, а с определённой скоростью. Скорость распространения колебаний называется скоростью волны.
Из рисунка видно, что за время, равное периоду колебаний волна распространяется на расстояние, равное длине волны.
Отсюда скорость распространения волны будет равна отношению длины волны к периоду её колебаний.
Если учесть, что частота колебаний — величина, обратная периоду колебаний, то скорость распространения волны можно выразить через частоту колебаний.
Колебания частиц среды, в которой распространяется волна, являются вынужденными. Поэтому их период колебаний равен периоду колебаний источника волны.
Однако скорость распространения волны, а соответственно и длина волны зависят от среды, в которой они распространяются. Это связано в первую очередь с агрегатным состоянием вещества.
Давайте вспомним, что в твёрдых телах частицы расположены близко друг к другу и связь между ними велика. В жидкостях частицы расположены дальше друг от друга, чем в твёрдых телах, они слабее взаимодействуют друг с другом. В газах взаимодействие между частицами совсем слабое. Поэтому наибольшая скорость распространения волны в твёрдых телах, а наименьшая — в газах.
Для закрепления нового материала решим с вами следующую задачу.
В заключении отметим, что некоторые волновые процессы, наблюдаемые в природе, нередко переносят огромную энергию и являются причиной разрушений. К ним относятся морские волны, особенно цунами, и сейсмические волны, распространяющиеся в земной коре при землетрясениях или мощных взрывах.
Пусть колеблющееся тело находится в среде, все частицы которой связаны между собой. Соприкасающиеся с ним частицы среды придут в колебательное движение, в результате чего в прилегающих к этому телу участках среды возникают периодические деформации (например, сжатие и растяжение). При деформациях в среде появляются упругие силы, которые стремятся вернуть частицы среды в первоначальное состояние равновесия.
Таким образом, периодические деформации, которые появились в каком-нибудь месте упругой среды, будут распространяться с некоторой скоростью, зависящей от свойств среды. При этом частицы среды не вовлекаются волной в поступательное движение, а совершают колебательные движения около своих положений равновесия, от одних участков среды к другим передается только упругая деформация.
Процесс распространения колебательного движения в среде называется волновым процессом или просто волной. Иногда эту волну называют упругой, потому что она обусловлена упругими свойствами среды.
В зависимости от направления колебаний частиц по отношению к направлению распространения волны, различают продольные и поперечные волны. Интерактивная демонстрация поперечной и продольной волны
Продольная волна – это волна, в которой частицы среды колеблются вдоль направления распространения волны.
Продольную волну можно наблюдать на длинной мягкой пружине большого диаметра. Ударив по одному из концов пружины, можно заметить, как по пружине будут распространяться последовательные сгущения и разрежения ее витков, бегущие друг за другом. На рисунке точками показано положение витков пружины в состоянии покоя, а затем положения витков пружины через последовательные промежутки времени, равные четверти периода.
Таким образом, про дольная волна в рассматриваемом случае представляет собой чередующиеся сгущения (Сг) и разрежения (Раз) витков пружины .
Демонстрация распространения продольной волны
Поперечная волна - это волна, в которой частицы среды колеблются в направлениях, перпендикулярных к направлению распространения волны.
Рассмотрим подробнее процесс образования поперечных волн. Возьмем в качестве модели реального шнура цепочку шариков (материальных точек), связанных друг с другом упругими силами. На рисунке изображен процесс распространения поперечной волны и показаны положения шариков через последовательные промежутки времени, равные четверти периода.
В начальный момент времени (t0 = 0) все точки находятся в состоянии равновесия. Затем вызываем возмущение, отклонив точку 1 от положения равновесия на величину А и 1-я точка начинает колебаться, 2-я точка, упруго связанная с 1-й, приходит в колебательное движение несколько позже, 3-я — еще позже и т.д. Через четверть периода колебания ( t 2 = T 4 ) распространятся до 4-й точки, 1-я точка успеет отклониться от своего положения равновесия на максимальное расстояние, равное амплитуде колебаний А. Через половину периода 1-я точка, двигаясь вниз, возвратится в положение равновесия, 4-я отклонилась от положения равновесия на расстояние, равное амплитуде колебаний А, волна распространилась до 7-й точки и т.д.
К моменту времени t5 = T 1-я точка, совершив полное колебание, проходит через положение равновесия, а колебательное движение распространится до 13-й точки . Все точки от 1-й до 13-й расположены так, что образуют полную волну, состоящую из впадины и гребня.
Демонстрация распространения поперечной волны
Вид волны зависит от вида деформации среды. Продольные волны обусловлены деформацией сжатия — растяжения, поперечные волны — деформацией сдвига. Поэтому в газах и жидкостях, в которых упругие силы возникают только при сжатии, распространение поперечных волн невозможно. В твердых телах упругие силы возникают и при сжатии (растяжении) и при сдвиге, поэтому в них возможно распространение как продольных, так и поперечных волн.
Как показывают рисунки, и в поперечной и в продольной волнах каждая точка среды колеблется около своего положения равновесия и смещается от него не более чем на амплитуду, а состояние деформации среды передается от одной точки среды к другой. Важное отличие упругих волн в среде от любого другого упорядоченного движения ее частиц заключается в том, что распространение волн не связано с переносом вещества среды.
Следовательно, при распространении волн происходит перенос энергии упругой деформации и импульса без переноса вещества. Энергия волны в упругой среде состоит из кинетической энергии совершающих колебания частиц и из потенциальной энергии упругой деформации среды.
Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику
Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.
Урок №28. Распространение колебаний в среде. Волны.
Д/З: п. 31 – п. 31 (пересказ), упр. №25 письменно.
Что называется волной?
Волна — это колебания, распространяющиеся в пространстве с течением времени.
Отдельные частицы твердого, жидкого или газообразного тела взаимодействуют друг с другом. И если какая- либо частица тела начинает совершать колебательные движения, то в результате взаимодействия между частицами это движение начинает распространяться во все стороны.
Причины, вызывающие волну
Механические волны возникают благодаря действию сил упругости, т.к эти силы осуществляют связь между отдельными частями тела.
В зависимости от направления колебаний и направления движения волны:
В продольной волне происходит деформация сжатия . Силы упругости, связанные с этой деформацией, возникают как в твердых телах, так и в жидкостях и газах. Эти силы вызывают колебания отдельных участков среды.
Поэтому продольные волны могут распространяться во всех упругих средах
В поперечной волне смещения отдельных участков среды происходят в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны. При этом возникает упругая деформация , называемая деформацией сдвига .
Отдельные слои вещества сдвигаются относительно друг друга. При деформации сдвига в твердом теле возникают силы упругости, стремящиеся вернуть тело в исходное состояние. Именно силы упругости и вызывают колебания частиц среды.
Сдвиг слоев относительно друг друга в газах и жидкостях не приводит к появлению сил упругости . Поэтому в газах и жидкостях не могут существовать поперечные волны.
Поперечные волны возникают только в твердых телах .
Энергия волны
Основное свойство всех волн это то, что волна переносит энергию, но не переносит вещество среды. Энергия поступает от источника, возбуждающего колебания и распространяется вместе с волной.
Эта энергия слагается из кинетической энергии движения частиц среды и потенциальной энергии их упругой деформации .
Постепенное уменьшение амплитуды колебаний частиц при распространении волны связано с превращением части механической энергии во внутреннюю.
Читайте также: