Какие волны поперечные или продольные являются волнами сдвига волнами сжатия и разрежения кратко

Обновлено: 07.07.2024

В прошлом уроке рассматривались колебания в физических системах – от детских качелей до нитяного и пружинного маятника. Однако, роль колебаний на этом не заканчивается. На самом деле колебания окружают человека повсюду: даже звуки, которые он слышит – это колебания воздуха (или среды), воспринимаемые его слуховыми органами.

План урока:

Распространение колебаний в среде

Чтобы понять, что такое колебания в среде достаточно представить несколько простых примеров:

камень бросили в воду, по поверхности воды тут же расходятся круги – это и есть колебания поверхности воды;
игра на гитаре – струна начинает колебаться после прикосновения музыканта.

Рассмотрим простую ситуацию распространения колебаний в среде: длинная пружинка, закрепленная с одной стороны, а с другой на нее оказывается периодическое внешнее воздействие, например, равномерные толчки рукой (см. рисунок 1).

Обобщить все сказанное можно следующим образом: колебания в среде или даже колебания среды (ведь пружинка – это среда) представляют собой некое возмущение, распространяющееся от места их возникновения без переноса вещества. Источником таких возмущений является колеблющееся тело (или некое периодическое воздействие). Такое возмущение и называется волной. Рассмотрим это явление подробнее.

Волны. Продольные и поперечные волны. Волны сжатия и разрежения

Волна – это колебание, распространяющиеся в какой-либо среде с течением времени.

Волны бывают разные. В рассмотренном ранее примере с пружинкой (см. рисунок 1) волна распространяется вправо, а частицы вещества (пружины) сжимаются и разжимаются вдоль направления волны – такие волны называются продольными.

Продольная волна – волна, в которой направление колебаний частиц среды параллельно направлению распространения волны.

Теперь рассмотрим иной случай:волна в гитарной струне. Схематично ее колебание показано на рисунке 2. Направление распространения волны – вправо, а направление смещения частиц – вверх и вниз.

Рисунок 2 – Поперечная волна

Поперечная волна– волна, в которой направление колебаний частиц среды перпендикулярно направлению распространения волны.

Важно отметить, что при возникновении поперечных волн в струне происходит деформация сдвига, а значит, колебания будут происходить под действием сил упругости, старающихся вернуть струну в исходное положение. Деформация сдвига и силы упругости могут возникнуть только в твердых телах (представьте, что один слой жидкости или газа смещается относительно другого – силы упругости в этом случае не возникают). Следовательно, поперечные волны распространяются только в твердых телах.

Продольные волны распространяются в любой среде, в том числе в жидкости и в газах. В любом типе вещества этот тип волны представляет собой чередование сгущений и разрежений частиц, поэтому продольные волны называются так же волнами сжатия и разрежения.

Продольными волнами является, например, звук.

Упругие волны. Основное общее свойство бегущих в среде волн

Волны могут распространяться в разных средах, однако особо выделяют волны, которые распространяются в упругих средах.

Упругая волна – это механическое возмущение или деформация, распространяющееся в упругой среде. Или, другими словами, это распространение колебаний в упругой среде.

*Для справки: тело (среда) называется упругим, если после прекращения воздействия на него оно возвращается в исходное состояние. Упругие деформации – обратимые, то есть те, после которых тело еще способно вернуться в исходное состояние. Например, если взять тонкий деревянный стержень, можно его немного согнуть, но как только воздействие прекратится, он вернется в начальное положение – это будет упругая деформация. Если согнуть стержень слишком сильно, так, чтобы он сломался, будет неупругая деформация.

Ранее рассматривалось разделение волн на продольные и поперечные. Помимо этого, все волны можно так же разделить на стоячие и бегущие.

Бегущие волны – тип волн, при котором происходит перенос энергии без переноса вещества.

Основное общее свойство бегущих в среде волн: перенос энергии без переноса вещества.

Стоячие волны – такой тип волн, при котором не происходит переноса энергии. Стоячие волны являются суперпозицией (наложением друг на друга) бегущих волн. Это сложное явление, которое не изучается в курсе физики для 9-го класса. Однако, следует помнить, что такие волны существуют.

Основные характеристики волн

* Напоминание: скорость – векторная величина, а значит, она включает в себя и модуль скорости волны, и направление ее распространения.

Длина волны

Рассмотрим простой пример: веревка, которую с одной стороны держит ученик, а с другой она закреплена за опору (рисунок 3). Ученик начинает периодически встряхивать веревочку, вследствие чего по ней начинают идти волны.

Чтобы обобщить понятие длины волны, нужно ввести другие характеристики.

Скорость распространения волны

Под скоростью распространения волны понимают скорость распространения колебаний (возмущения). Так же можно сказать, что скорость продольной или поперечной волны – это скорость переноса энергии бегущей волны. Скорость, как и всегда, обозначается буквой ν (в данном случае, скорость – вектор, в эту величину включается и модуль, и направление движения; если в условиях конкретной задачи необходим только модуль скорости, он обозначается ν).

Волны, распространяющиеся в пространстве, удобно рассматривать, используя функции. Обратимся к примеру, с пружиной, представленному ранее. Вдоль пружины можно выбрать координатную ось х. Волны, бегущие в пружине – это волны уплотнения и растяжения. Тогда можно задать относительную деформацию ε как функцию от координаты х:

То есть, пользуясь этой функцией, мы сможем вычислить деформацию в каждой точке пружины, а также можно построить график – рисунок 4.

Как уже говорилось ранее, волна распространяется (бежит) по пружине с течением времени (t). Скорость бегущей волны v. Чтобы учесть это, воспользуемся свойством смещения графика функции, и зададим плотность так:

График функции, заданной в таком виде, при равномерном увеличении t будет ползти вправо. То есть каждая точка графика будет двигаться вправо со скоростью v (рисунок 5).

Для задания волны, бегущей влево, нужно задать смещение с противоположным знаком:

Приведенные выражения называются уравнениями бегущей волны. Удобство такого рассмотрение заключается в том, что наложение множества волн с разными характеристиками можно рассматривать просто как математическую функцию, и использовать для этого весь мат. аппарат. В программе старших классах будет разобрано, как это применяется для исследования свойств одной волны и наложения двух и трех волн.А пока достаточно знать, как по виду функции определить, в каком направлении движется волна.

Напомним, что математическая функция в узком смысле - это закон, который в соответствие одному числу ставим другое. В записи:

Частоты и период волны

Даже свет и цвета, которые мы видим – это тоже особый вид волн, которые называются электромагнитными (они будут рассматриваться чуть позже). Например, красный цвет – это волны, длины которых находятся в диапазоне от 620 до 760 нанометров. Длина всех волн света (или световых волн) колеблется в промежутке примерно от 380 до 760 нанометров.

Волнами называются возмущения, распространяющиеся в пространстве и удаляющиеся от места их возникновения.

2. В чём заключается основное свойство бегущих волн любой природы? Происходит ли в бегущей волне перенос вещества?

В бегущей волне любой природы происходит перенос энергии без переноса вещества.

3. Что такое упругие волны?

Упругие волны — это механические волны распространяющиеся в упругой среде.

4. Приведите пример волн, не относящихся к упругим.

Электромагнитные волны, волны на поверхности воды.

5. Какие волны называются продольными; поперечными? Приведите примеры

Продольными волнами называются такие волны, в которых колебания частиц происходят вдоль направления их распространения, например, колебания витков в пружине, звуковые (акустические) волны.

Перечными волнами называются такие волны, в которых колебания частиц происходят перпендикулярно направлению их распространения, например, волны на поверхности воды, электромагнитные волны.

6. Какие волны — поперечные или продольные — являются волнами сдвига; волнами сжатия и разрежения?

Волнами сдвига являются поперечные волны. Волнами сжатия и растяжения являются продольные волны.

7. Почему поперечные волны не распространяются в жидких и газообразных средах?

Упругие поперечные волны могут распространятся только в твердой среде. Упругие продольные волны могут распространятся в твердой, жидкой или газообразной среде.

Физика 9 класс Колебательное движение

Волны. Длина волны. Скорость волн.

Возмущения, распространяющиеся в пространстве, удаляясь от места их возникновения, называются волнами.

Бегущие волны – это волны, в которых происходит перенос энергии без переноса вещества. Упругие волны – это механические возмущения, распространяющиеся в упругой среде.

Пример:
примером бегущей волны является звук.

Звуковые волны — пример бегущей волны

Волны, в которых колебания происходят вдоль направления их распространения, называются продольными волнами. Волны, в которых колебания происходят перпендикулярно направлению их распространения, называются поперечными волнами.

Поперечные волны являются волнами сдвига , а продольные волны – это волны сжатия и разрежения . Упругие силы при сдвиге слоев возможны только в твердых телах, поэтому поперечные волны могут распространятся только в твердых телах . При сжатии и разрежении упругие силы возникают как в твердых телах, так и в жидкостях и газах. Поэтому продольные волны могут распространяться в любой среде – твердой, жидкой и газообразной .

Расстояние между ближайшими друг к другу точками, колеблющимися в одинаковых фазах, называется длиной волны. Длина волны обозначается λ.

где v – скорость волны, Т – период колебаний.

Длина волны зависит от частоты (или периода колебаний) источника, порождающего эту волну и скорости распространения волны.

где ν – частота колебаний.

Из формул длины волны можно выразить формулы скорости волны:

Формулы для нахождения скорости волны справедливы как для поперечных, так и для продольных волн.

Продольная волна – это волна, при распространении которой смещение частиц среды происходит в направлении распространения волны (рис.1, а).

Причиной возникновения продольной волны является деформация сжатия/растяжения, т.е. сопротивление среды изменению ее объема. В жидкостях или газах такая деформация сопровождается разрежением или уплотнением частиц среды. Продольные волны могут распространяться в любых средах – твердых, жидких и газообразных.

Примерами продольных волн являются волны в упругом стержне или звуковые волны в газах.

Поперечные волны

Поперечная волна – это волна, при распространении которой смещение частиц среды происходит в направлении, перпендикулярном распространению волны (рис.1,б).

Причиной поперечной волны является деформация сдвига одного слоя среды относительно другого. При распространении поперечной волны в среде образуются гребни и впадины. Жидкости и газы, в отличие от твердых тел, не обладают упругостью по отношению к сдвигу слоев, т.е. не оказывают сопротивления изменению формы. Поэтому поперечные волны могут распространяться только в твердых телах.

Примерами поперечных волн могут служить волны, бегущие по натянутой веревке или по струне.

Волны на поверхности жидкости не являются ни продольными, ни поперечными. Если бросить на поверхность воды поплавок, то можно увидеть, что он движется, покачиваясь на волнах, по круговой траектории. Таким образом, волна на поверхности жидкости имеет как поперечную, так и продольную компоненты. На поверхности жидкости также могут возникать волны особого типа – так называемые поверхностные волны. Они возникают в результате действия силы тяжести и силы поверхностного натяжения.

Рис.1. Продольные (а) и поперечные (б) механические волны

Примеры решения задач

Начертим поверхность волны вблизи поплавка через некоторый промежуток времени , учитывая, что за это время поплавок опустился вниз, так как его скорость в момент времени была направлена вниз. Продолжив линию вправо и влево, покажем положение волны в момент времени . Сравнив положение волны в начальный момент времени (сплошная линия) и в момент времени (пунктирная линия), делаем вывод о том, что волна распространяется влево.

Читайте также: