Движение как распространение волны кратко

Обновлено: 04.07.2024

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.

Конспект урока

Естествознание, 10 класс

Урок 38. Движение как распространение волны

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:

Что понимают под волнами;
Какие бывают волны;
Где в природе наблюдаются волны;
Что такое электромагнитные волны;
Как проявляются в жизни ЭМВ различных диапазонов;

Глоссарий по теме :

Волна – распространение колебаний в пространстве

Длина волны – расстояние, пройденное волной за время равное периоду

Частота – число колебаний за единицу времени

Период – время одного полного колебания

Шкала ЭМВ – непрерывная последовательность частот и длин электромагнитных излучений

Основная и дополнительная литература по теме урока (точные библиографические данные с указанием страниц):

Естествознание. 10 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю. Алексашина, К.В. Галактионов, И.С. Дмитриев, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд., испр. – М.: Просвещение, 2017. – §55, стр. 166-168
Физика. 10, 11 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. учреждений: базовый уровень; профильный уровень/А.В. Грачев, В.А. Погожев, А.М. Салецкий и др.- Вентана-Граф, 2011 стр. 6-224

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Из курса физики известно, что волна – это процесс распространения колебаний частиц. А к примеру, в электромагнитной волне, колеблются не частицы, а поля. При этом поле не перемещается в пространстве, а просто исчезает в одной точке и возникает в другой. Так, можно сделать вывод, что волна – это процесс распространения колебаний в различных системах.

В жизни повсеместно встречаемся с разными волнами:

С сейсмическими при землетрясениях
Со звуковыми при прослушивании музыки
С круговыми волнами на поверхности воды
Можно увидеть волну даже при движении песка в пустыне

Остановимся на звуковых волнах.

Звук представляет собой распространяющиеся колебания давления воздуха. Эти колебания, доходя до барабанной перепонки уха, вызывают ощущение звука, но установить, что это именно колебания, можно, лишь используя специальные приборы. Важно отметить, что звук может распространяться только в среде и не возможен в вакууме. Можно провести опыт:

Под колбу насоса Комовского помещаем звонящий электрический звонок. По мере откачивания воздуха звук становится все тише и тише и потом вообще исчезает. Однако молоточек создающий звук продолжает совершать своё действие, а звук при этом не распространяется. Это означает, что пока под колоколом был воздух, то есть среда была упругой звуковые волны в ней распространялись. Как только при низких давлениях среда потеряла упругие свойства звук прекратился. Общее название таких волн – упругие.

Волны могут иметь разную природу:

Самыми распространенными в природе являются электромагнитные волны. Непрерывная последовательность частот и длин электромагнитных излучений образует шкалу электромагнитных волн. Рассмотрим волны различных диапазонов.

Радиоволны – самые длинные ЭМВ, служащие для передачи сигналов (информации) на расстоянии без проводов.

Радиоволны излучаются через антенну в пространство и распространяются в виде энергии электромагнитного поля. И хотя природа радиоволн одинакова, их способность к распространению сильно зависит от длины волны.

Инфракрасное излучение – недоступно невооруженному взору, но ощущаемо кожей как тепло. ИК-излучение еще принято называть тепловым.

Действие инфракрасного излучения благотворно для живых организмов на Земле и играет важную роль в развитии жизни. Все живое находится под влиянием инфракрасного света.

Видимый свет – электромагнитные волны, воспринимаемые человеческим глазом. Видимый свет горячих объектов, таких как звезды, может быть использован для оценки их температуры. Например, температура поверхности Солнца составляет примерно 58000 по Кельвину.

Видимый свет полихроматический и его можно разложить на спектр от красного до фиолетового

Ультрафиолетовое излучение

Естественным и основным источником ультрафиолета на Земле является Солнце. По сути, именно от этого излучения мы спасаемся солнцезащитными кремами. При этом дальний ультрафиолет полностью поглощается атмосферой Земли, а УФ-А как раз доходит до поверхности, вызывая приятный загар. А в среднем 10% УФ-Б провоцируют те самые солнечные ожоги, а также могут приводить к образованию мутаций и кожных заболеваний.

Рентгеновское излучение

В естественных условиях поток лучей рентгена встречается редко и излучается только некоторыми радиоактивными изотопами.

Гамма излучение представляет собой поток фотонов, имеющих высокую энергию (гамма-квантов). Условно считается, что энергии квантов гамма-излучения превышают 105 эВ, излучение

Текст задания 1:

К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго.

Правильный вариант/варианты (или правильные комбинации вариантов):

Текст задания 2:

Соединяя овалы с прямоугольниками, решите ребус-соответствие:

Правильный вариант : надписи в соединённых фигурах должны составить следующие фразы:

Что понимают под волнами? Какие бывают волны? Где в природе наблюдаются волны? Что такое электромагнитные волны? Как проявляются на опыте электромагнитные волны различных диапазонов?

Урок-лекция

Волна — это процесс распространения колебаний различной природы во времени и в пространстве.

Закрепим один конец веревки на опоре, а за другой натянем веревку, держа ее в руке. Сделав рукой резкое движение, показанное стрелками на рисунке 65, мы увидим, как по веревке побежит волна. Несложно понять, веревки не бегут вместе с волной.

Рис. 65. Волна в натянутой веревке

Мы можем измерить время, за которое волна дошла от места падения камня до некоторой точки на поверхности воды и, зная это расстояние, вычислить скорость волны. Однако движение волны не просто движение частичек воды. В этом легко убедиться, бросив в волну щепку. Если бы частички воды двигались вместе с волной, они увлекали бы за собой щепку. Однако, поколебавшись с волной, щепка остается на месте.

Результаты опытов указывают на то, что процесс движения волны не является перемещением частиц со скоростью волны. Волна — это процесс распространения колебания частиц.

В более общем случае, например в электромагнитной волне, колеблются не частицы, а поля. При этом нельзя сказать, что поле перемещается в пространстве. Оно просто исчезает в одной точке пространства и возникает в другой точке пространства. Таким образом, можно сделать вывод, что волна — это процесс распространения колебаний в различных системах.

Следует заметить, что определение волны как колебаний не совсем строгое. Например, звуковая ударная волна, образующаяся в результате взрыва (разряда молнии) — это резкий скачок давления (рис. 66). Как будет показано далее, такие волны могут быть представлены как сумма различных колебаний.

Рис. 66. Зависимость давления звуковой волне от расстояния в ударной

ПРИРОДА ВОЛН. Попробуем теперь ответить на вопросы, что же колеблется при распространении волны и где в природе встречаются волны. Проще всего ответить на второй вопрос: волны существуют везде. В различных уголках нашей огромной Вселенной можно найти места, где практически нет вещества, т. е. атомов и молекул. Однако нет места, куда не доходит свет звезд, который представляет собой электромагнитную волну. Но, может быть, закрывшись в темной комнате, мы спрячемся от волн? И это невозможно. В комнату проникают радиоволны, а стены комнаты, как и мы сами, излучают электромагнитные волны, невидимые для глаза.

Природа волн очень разнообразна, однако увидеть волны можно только в исключительных случаях; примером являются волны на поверхности воды и волна в натянутой веревке (см. рис. 65). В этих случаях мы видим колебания. Колебания, происходящие в других волнах, невидимы и могут быть изучены только при применении специальных приборов. Примером является звук, представляющий собой распространяющиеся колебания давления воздуха. Эти колебания, доходя до барабанной перепонки уха, вызывают ощущение звука, но установить, что это именно колебания, можно, лишь используя приборы.

Звук распространяется не только в газах, но и в жидкостях и твердых телах; важно, чтобы такие тела обладали достаточной упругостью. Более общее название таких волн — волны упругости. К подобным волнам относятся также и волны в натянутых нитях, например волны в струнах музыкапьных инструментов.

При распространении волн упругости происходит движение частиц, составляющих вещество. При распространении электромагнитных волн никакие частицы не движутся, происходит просто изменение электрических и магнитных полей в пространстве.

Электромагнитные поля обычно регистрируются приборами, но некоторые из них, например свет, воспринимаются органами чувств, хотя никаких колебаний мы при этом не видим.

Мы привели далеко не все примеры волн, однако и этих примеров достаточно, чтобы составить представление о большом разнообразии волн.

Волны могут иметь разнообразную природу,

Электромагнитные волны являются наиболее распространенными в природе. Среди прочих волн электромагнитные волны замечательны тем, что диапазон, в котором изменяются частоты и соответственно длины волн, очень велик. Различные приборы способны регистрировать электромагнитные волны с длиной волны от нескольких километров до долей пикометра (10 -12 м). В таблице приведены названия волн различных диапазонов и некоторые свойства волн.

Добавим к информации, которая указана в последней колонке таблицы, что волны всех диапазонов используются для определения спектров различных веществ. На основе анализа спектров получается информация о составе веществ. Кроме того, волны всех диапазонов находят в настоящее время применение в медицине (УВЧ- и СВЧ-терапия, флюорография, лазерная хирургия глаза, лечение раковых заболеваний и др.).

В таблице приведены сведения о вредных последствиях, вызываемых сильными электромагнитными волнами. Однако сильные звуковые волны также оказывают на организм вредное воздействие. Поэтому при работе в повышенной шумовой обстановке необходимо использовать шумозащитные устройства (наушники). Вредное влияние на организм может оказать также длительное прослушивание громкой музыки.

Основная и дополнительная литература по теме урока (точные библиографические данные с указанием страниц):

Естествознание. 10 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю. Алексашина, К.В. Галактионов, И.С. Дмитриев, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд., испр. – М.: Просвещение, 2017. – §55, стр. 166-168
Физика. 10, 11 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. учреждений: базовый уровень; профильный уровень/А.В. Грачев, В.А. Погожев, А.М. Салецкий и др.- Вентана-Граф, 2011 стр. 6-224

Теоретический материал для самостоятельного изучения

В жизни повсеместно встречаемся с разными волнами:

С сейсмическими при землетрясениях
Со звуковыми при прослушивании музыки
С круговыми волнами на поверхности воды
Можно увидеть волну даже при движении песка в пустыне

Остановимся на звуковых волнах.

Волны могут иметь разную природу:

Радиоволны – самые длинные ЭМВ, служащие для передачи сигналов (информации) на расстоянии без проводов.

Видимый свет полихроматический и его можно разложить на спектр от красного до фиолетового

Ультрафиолетовое излучение

Рентгеновское излучение

Текст задания 1:

К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго.

НАЗВАНИЕ ДИАПАЗОНА

Анализ возраста ископаемых останков (метод радиоуглеродного анализа)

Нагревательные приборы, приборы ночного видения, передача сигналов на расстояние прямой видимости (пульты дистанционного управления различных приборов)

Связь, радиовещание и телевидение, радиолокация, нагревательные приборы (микроволновые печи)

Правильный вариант/варианты (или правильные комбинации вариантов):

НАЗВАНИЕ ДИАПАЗОНА

Связь, радиовещание и телевидение, радиолокация, нагревательные приборы (микроволновые печи)

Анализ возраста ископаемых останков (метод радиоуглеродного анализа)

Текст задания 2:

Соединяя овалы с прямоугольниками, решите ребус-соответствие:

Правильный вариант: надписи в соединённых фигурах должны составить следующие фразы:

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.

Читайте также: