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.
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 (t 0 = 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 t 5 = 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.
Тема: Распространение колебаний в среде. Волны.
Физика. 9 класс.
Цель: Познакомить учащихся с волновым движением, рассмотреть его особенности, механизм
распространения волн.
Задачи:
обучающие: углубление знаний о видах колебательного движения, использование связи физики
с литературой, историей, математикой; формирование понятий волновое движение,
механической волны, вида волн, распространение их в упругой среде;
развивающие: развитие умений сравнивать, систематизировать, анализировать, делать выводы;
воспитательные: воспитание коммуникативности.
Дидактический тип урока: Изучение нового материала.
Оборудование: Ноутбук, мультимедийный проектор, видеоролик – волны на пружине, презентация
PowerPoint
К уроку.
Ход урока:
I. Проверка знаний и умений.
1. Ответить на вопросы.
Внимательно прочитайте словосочетания. Определите, возможны ли свободные колебания:
поплавка на поверхности воды; тела на канале, прорытом сквозь земной шар; птицы на ветке;
шарика на плоской поверхности; шарика в сферической ямке; рук и ног человека; спортсмена на
батуте; иглы в швейной машинке.
Какой автомобиль, нагруженный или без груза, будет совершать на рессорах более частые
колебания?
Существует два типа часов. В основе одних – колебания груза на стержне, других – груза на
пружине. Каким образом можно регулировать частоту хода каждых часов?
При периодических порывах ветра раскачался и рухнул мост Tacoma Narrous в Америке.
Объясните почему?
2. Решение задач.
Учитель предлагает выполнить компетентностно ориентированное задание, структура и содержание
которого представлена ниже.
Стимул: Оценить имеющиеся знания по теме «Механические колебания».
Задачная формулировка: В течение 5 минут, используя приведенный текст, определите частоту и
период сокращения сердца человека. Запишите данные, которые вы не сможете использовать при решении
задач.
Общая длина кровеносных капилляров в организме человека примерно 100 тыс. км, что в 2,5 раза
превышает длину экватора, а общая внутренняя площадь – 2400 м2. Кровеносные капилляры имеют
толщину в 10 раз меньшую, чем волос. В течение минуты сердце выбрасывает в аорту около 4 л
крови, которая затем перемещается во все точки организма. Сердце в среднем сокращается 100 тыс.
раз в сутки. За 70 лет жизни человека сердце сокращается 2 миллиарда 600 миллионов раз и
перекачивает 250 миллионов раз.
Бланк для выполнения задания:
1. Данные необходимые для определения периода и частоты сокращения сердца:
а) ___________; б) _________
Формула для вычисления: ______________
Вычисления _______________
=________; Т=_____________
ν
2. Излишние данные
а) ___________
б) ___________
в) ___________
г) ___________
Модельный ответ:
Данные необходимые для определения периода и частоты сокращения сердца:
а) Число сокращений N=100000; б) Время сокращений t=1 сут.
ν
c1; T=1/1,16=0,864 c
Формула для вычисления: =ν N/t; T=1/ν
Вычисления =100000/(24*3600)=1,16
=1,16
c1; Т=0,864 c.
ν
Или а) Число сокращений N=2600000000; б) Время сокращений t=70 лет. – Но эти данные
приводят к более сложным вычислениям, поэтому нерациональны.
Излишние данные
а) Общая длина кровеносных сосудов – 100 тыс. км
б) общая внутренняя площадь – 2400 м2
в) В течение минуты сердце выбрасывает в кровь около 4 л крови.
г) Толщина кровеносных сосудов в 10 раз меньше толщины волоса.
Поле модельных ответов
Выделены данные для определения частоты и периода сокращения сердца.
Приведены формулы для вычисления.
Выполнены вычисления, приведен правильный ответ.
Выделены из текста излишние данные.
Инструмент
оценки
ответа
1
1
1
1
II.
Объяснение нового материала.
Все частицы среды связаны между собой силами взаимного притяжения и отталкивания, т.е.
взаимодействуют друг с другом. Поэтому если хотя бы одну частицу вывести из положения равновесия
(заставить совершать колебания), то она потянет за собой рядом находящуюся частицу(благодаря
взаимодействию между частицами это движение начинает распространяться во все стороны). Таким
образом, колебания будут передаваться от одной частицы к другой. Такое движение называется волновым.
Механической волной (волновым движением) называется распространение колебаний в упругой
среде.
Колебания, распространяющиеся в пространстве со временем, называются волной.
или
В данном определении речь идет о так называемых бегущих волнах.
Основное общее свойство бегущих волн любой природы заключается в том, распространяясь в
пространстве, переносят энергию, но без переноса вещества.
В бегущей волне происходит перенос энергии без переноса вещества.
В данной теме мы будем рассматривать только упругие бегущие волны, частным случаем которых
является звук.
Упругие волны – это механические возмущения, распространяющиеся в упругой среде.
Иначе говоря, образование упругих волн в среде обусловлено возникновением в ней упругих сил,
вызванных деформацией.
Кроме упругих волн существуют и другие виды волн, например волны на поверхности жидкости,
электромагнитные волны.
Волновые процессы встречаются почти во всех областях физических явлений, поэтому их изучение
имеет большое значение.
Волновое движение бывает двух видов: поперечное и продольное.
Поперечная волна – частицы колеблются (движутся) перпендикулярно (поперек) скорости
распространения волны.
Примеры: волна от брошенного камня…
Продольная волна – частицы колеблются (движутся) параллельно скорости распространения
волны.
Примеры: звуковые волны, цунами…
Механические волны
Шнур Пружина
поперечные
продольные
Поперечные волны.
Продольные волны.
Возникает упругая деформация сдвига.
Объем тела
не меняется.
Силы упругости стремятся вернуть тело в
исходное положение. Эти силы и вызывают
колебания среды.
Сдвиг слоев друг относительно друга в
жидкости и газе не приводит к появлению
сил упругости, следовательно возникают
только в твердых телах.
Возникают при деформации сжатия.
Силы упругости возникают в твердых
телах, жидкостях и газах. Эти силы
вызывают колебания отдельных участков
среды, поэтому распространяются во всех
средах.
В твердых телах скорость распространения
больше.
III.
Закрепление:
1. Интересные задачи.
а) В 1883г. При печально известном извержении индонезийского вулкана Кракатау воздушные ударные
волны, рожденные подземными взрывами, трижды обошли земной шар.
К какому виду волн можно отнести ударную волну? (К продольным волнам).
б) Цунами – грозный попутчик землетрясений. Родилось такое название в Японии и означает
гигантскую волну. Когда она накатывает на берег, создается впечатление, что это не волна вовсе, а
море, разъяренное, неукротимое, кидается на берег. Ничего нет удивительного в том, что цунами
производят на нем опустошения. Во время землетрясения 1960 г. На побережье Чили бросались
волны высотой до шести метров. Море отступало и наступало несколько раз в течение второй
половины дня.
К какому виду волн относятся цунами? Чему равна амплитуда цунами 1960 года, обрушившаяся на
Чили?(Цунами относятся к
волны равна 3 м).
(иллюстрация цунами:
продольным волнам. Амплитуда
http://ru.wikipedia.org/wiki/Изображение:2004_Indian_Ocean_earthquake_Maldives_tsunami_wave.jpg
в) Рифели – это знаки мелкой волновой ряби. Они существуют на земле со времен появления сыпучих
сред – снега и песка. Их отпечатки встречаются в древних геологических пластах (иногда вместе со
следами динозавров). Первые научные наблюдения над рифелями были сделаны Леонардо да Винчи. В
пустынях расстояние между соседними гребнями волновой ряби измеряется от 112 см (чаще 38см)
при глубине впадин между гребнями в среднем 0,31 см.
Предположив, что рифели – это волна, определите амплитуду волны (0,150,5 см).
Иллюстрация рифели:
http://rusnauka.narod.ru/lib/phisic/destroy/gl7/image246.gif
2. Физический опыт. Индивидуальная работа.
Учитель предлагает учащимся выполнить компетентностно – ориентированное задание, структура и
содержание которого представлена ниже
Стимул: оценить приобретенные знания по теме «Волновое движение».
Задачная формулировка: используя выданные приборы и знания, полученные на уроке,
определить:
какие волны образуются на поверхности волны;
какую форму имеет фронт волны от точечного источника;
перемещаются ли частицы волны в направлении распространения волны?
сделайте вывод об особенности волнового движения.
Оборудование: стакан от калориметра, пипетка или бюретка, стеклянная трубка, спичка.
Волны, образующиеся на поверхности воды, являются __________
Волны на поверхности воды имеют форму _________
Спичка, помещенная на поверхность воды при распространении волны, ___________
Бланк для выполнения задания
Особенность волнового движения _________________
Поле модельных ответов
Инструмент оценки
ответа
Волны, образующиеся на поверхности воды, являются поперечными.
Волны на поверхности воды имеют форму окружности.
Спичка, помещенная на поверхность воды при распространении волны, не
перемещается.
Особенность волнового движения – при волновом движении не происходит
смещения вещества вдоль направления распространения волны.
Всего
III.
Домашнее задание: §31, 32
1
1
1
2
5
http://schoolcollection.edu.ru/catalog/rubr/8f5d721086a611daa72b0800200c9a66/21674/
Повторяющиеся движения или изменения состояния называют колебаниями (переменный электрический ток, движение маятника, работа сердца и т.п.). Всем колебаниям независимо от их природы присущи некоторые общие закономерности. Колебания распространяются в среде в виде волн. В данной главе рассматриваются механические колебания и волны.
7.1. ГАРМОНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ
Среди различных видов колебаний наиболее простой формой является гармоническое колебание, т.е. такое, при котором колеблющаяся величина изменяется в зависимости от времени по закону синуса или косинуса.
Пусть, например, материальная точка массой т подвешена на пружине (рис. 7.1, а). В этом положении упругая сила F 1 уравновешивает силу тяжести mg. Если оттянуть пружину на расстояние х (рис. 7.1, б), то на материальную точку будет действовать большая упругая сила. Изменение упругой силы, согласно закону Гука, пропорционально изменению длины пружины или смещению х точки:
F = -кх, (7.1)
где к - жесткость пружины; знак минус показывает, что сила всегда направлена в сторону положения равновесия: F < 0 при х > 0, F > 0 при х < 0.
Другой пример.
Математический маятник отклонен от положения равновесия на небольшой угол α (рис. 7.2). Тогда траекторию движения маятника можно считать прямой линией, совпадающей с осью ОХ. В этом случае выполняется приближенное равенство
где х - смещение материальной точки относительно положения равновесия; l - длина нити маятника.
На материальную точку (см. рис. 7.2) действуют сила натяжения F H нити и сила тяжести mg. Их равнодействующая равна:
Сравнивая (7.2) и (7.1), видим, что в этом примере равнодействующая сила подобна упругой, так как пропорциональна смещению материальной точки и направлена к положению равновесия. Такие силы, неупругие по природе, но аналогичные по свойствам силам, возникающим при мальж деформациях упругих тел, называют квазиупругими.
Таким образом, материальная точка, подвешенная на пружине (пружинный маятник) или нити (математический маятник), совершает гармонические колебания.
7.2. КИНЕТИЧЕСКАЯ И ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭНЕРГИИ КОЛЕБАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ
Кинетическую энергию колеблющейся материальной точки можно вычислить по известной формуле, используя выражение (7.10):
7.3. СЛОЖЕНИЕ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ
Материальная точка может одновременно участвовать в нескольких колебаниях. В этом случае, чтобы найти уравнение и траекторию результирующего движения, следует сложить колебания. Наиболее просто выполняется сложение гармонических колебаний.
Рассмотрим две такие задачи.
Сложение гармонических колебаний, направленных по одной прямой.
Пусть материальная точка одновременно участвует в двух колебаниях, происходящих вдоль одной линии. Аналитически такие колебания выражаются следующими уравнениями:
т.е. амплитуда результирующего колебания равна сумме амплитуд слагаемых колебаний, если разность начальных фаз равна четному числу π (рис. 7.8, а);
т.е. амплитуда результирующего колебания равна разности амплитуд слагаемых колебаний, если разность начальных фаз равна нечетному числу π (рис. 7.8, б). В частности, при А 1 = А 2 имеем А = 0, т.е. колебания нет (рис. 7.8, в).
Это достаточно очевидно: если материальная точка участвует одновременно в двух колебаниях, имеющих одинаковую амплитуду и совершающихся в противофазе, точка неподвижна. Если частоты складываемых колебаний не одинаковы, то сложное колебание уже не будет гармоническим.
Интересен случай, когда частоты слагаемых колебаний мало отличаются друг от друга: ω 01 и ω 02
Результирующее колебание при этом подобно гармоническому, но с медленно изменяющейся амплитудой (амплитудная модуляция). Такие колебания называются биениями (рис. 7.9).
Сложение взаимно перпендикулярных гармонических колебаний. Пусть материальная точка одновременно участвует в двух колебаниях: одно направлено вдоль оси ОХ, другое - вдоль оси OY. Колебания заданы следующими уравнениями:
Уравнения (7.25) задают траекторию движения материальной точки в параметрической форме. Если в эти уравнения подставлять разные значения t, можно определить координаты х и у, а совокупность координат и есть траектория.
Таким образом, при одновременном участии в двух взаимно перпендикулярных гармонических колебаниях одинаковой частоты материальная точка движется по эллиптической траектории (рис. 7.10).
Из выражения (7.26) вытекают некоторые частные случаи:
7.4. СЛОЖНОЕ КОЛЕБАНИЕ. ГАРМОНИЧЕСКИЙ СПЕКТР СЛОЖНОГО КОЛЕБАНИЯ
Как видно из 7.3, сложение колебаний приводит к более сложным формам колебаний. Для практических целей бывает необходимой противоположная операция: разложение сложного колебания на простые, обычно гармонические, колебания.
Фурье показал, что периодическая функция любой сложности может быть представлена в виде суммы гармонических функций, частоты которых кратны частоте сложной периодической функции. Такое разложение периодической функции на гармонические и, следовательно, разложение различных периодических процессов (механические, электрические и т.п.) на гармонические колебания называется гармоническим анализом. Существуют математические выражения, которые позволяют найти составляющие гармонические функции. Автоматически гармонический анализ колебаний, в том числе и для целей медицины, осуществляется специальными приборами - анализаторами.
Совокупность гармонических колебаний, на которые разложено сложное колебание, называется гармоническим спектром сложного колебания.
Гармонический спектр удобно представить как набор частот (или круговых частот) отдельных гармоник совместно с соответствующими им амплитудами. Наиболее наглядно такое представление выполняется графически. В качестве примера на рис. 7.14, а изображены графики сложного колебания (кривая 4) и составляющих его гармонических колебаний (кривые 1, 2 и 3); на рис. 7.14, б показан гармонический спектр, соответствующий этому примеру.
Рис. 7.14, б
Гармонический анализ позволяет достаточно детально описать и проанализировать любой сложный колебательный процесс. Он находит применение в акустике, радиотехнике, электронике и других областях науки и техники.
7.5. ЗАТУХАЮЩИЕ КОЛЕБАНИЯ
При изучении гармонических колебаний не учитывались силы трения и сопротивления, которые существуют в реальных системах. Действие этих сил существенно изменяет характер движения, колебание становится затухающим.
Если в системе кроме квазиупругой силы действуют силы сопротивления среды (силы трения), то второй закон Ньютона можно записать так:
Быстрота убывания амплитуды колебаний определяется коэффициентом затухания: чем больше β, тем сильнее тормозящее действие среды и тем быстрее уменьшается амплитуда. На практике, однако, степень затухания часто характеризуют логарифмическим декрементом затухания, понимая под этим величину, равную натуральному логарифму отношения двух последовательных амплитуд колебаний, разделенных интервалом времени, равным периоду колебаний:
При сильном затухании (β 2 >>ω 2 0) из формулы (7.36) видно, что период колебания является мнимой величиной. Движение в этом случае уже называется апериодическим 1 . Возможные апериодические движения представлены в виде графиков на рис. 7.16. Этот случай применительно к электрическим явлениям рассматривается более подробно в гл. 18.
Незатухающие (см. 7.1) и затухающие колебания называют соб-ственнъми или свободнъми. Они возникают вследствие начального смещения или начальной скорости и совершаются при отсутствии внешнего воздействия за счет первоначально накопленной энергии.
7.6. ВЫНУЖДЕННЫЕ КОЛЕБАНИЯ. РЕЗОНАНС
Вынужденными колебаниями называются колебания, возникающие в системе при участии внешней силы, изменяющейся по периодическому закону.
Предположим, что на материальную точку, кроме квазиупругой силы и силы трения, действует внешняя вынуждающая сила:
1 Заметим, что если некоторая физическая величина принимает мнимые значения, то это означает какую-то необычность, экстраординарность соответствующего явления. В рассмотренном примере экстраординарность заключается в том, что процесс перестает быть периодическим.
Из (7.43) видно, что при отсутствии сопротивления (β=0) амплитуда вынужденных колебаний при резонансе бесконечно большая. При этом из (7.42) следует, что ω рез = ω 0 - резонанс в системе без затухания наступает тогда, когда частота вынуждающей силы совпадает с частотой собственных колебаний. Графическая зависимость амплитуды вынужденных колебаний от круговой частоты вынуждающей силы при разных значениях коэффициента затухания показана на рис. 7.18.
Механический резонанс может быть как полезным, так и вредным явлением. Вредное действие резонанса связано главным образом с разрушением, которое он может вызвать. Так, в технике, учитывая разные вибрации, необходимо предусматривать возможное возникновение резонансных условий, в противном случае могут быть разрушения и катастрофы. Тела обычно имеют несколько собственных частот колебаний и, соответственно, несколько резонансных частот.
Если коэффициент затухания внутренних органов человека был бы невелик, то резонансные явления, возникшие в этих органах под воздействием внешних вибраций или звуковых волн, могли бы привести к трагическим последствиям: разрыву органов, повреждению связок и т.п. Однако такие явления при умеренных внешних воздействиях практически не наблюдаются, так как коэффициент затухания биологических систем достаточно велик. Тем не менее резонансные явления при действии внешних механических колебаний происходят во внутренних органах. В этом, видимо, одна из причин отрицательного воздействия инфразвуковых колебаний и вибраций на организм человека (см. 8.7 и 8.8).
7.7. АВТОКОЛЕБАНИЯ
Как было показано в 7.6, колебания могут поддерживаться в системе даже при наличии сил сопротивления, если на систему периодически оказывается внешнее воздействие (вынужденные колебания). Это внешнее воздействие не зависит от самой колеблющейся системы, в то время как амплитуда и частота вынужденных колебаний зависят от этого внешнего воздействия.
Однако существуют и такие колебательные системы, которые сами регулируют периодическое восполнение растраченной энергии и поэтому могут колебаться длительное время.
Незатухающие колебания, существующие в какой-либо системе при отсутствии переменного внешнего воздействия, называются автоколебаниями, а сами системы - автоколебательными.
Амплитуда и частота автоколебаний зависят от свойств самой автоколебательной системы, в отличие от вынужденных колебаний они не определяются внешними воздействиями.
Во многих случаях автоколебательные системы можно представить тремя основными элементами:
1) собственно колебательная система;
2) источник энергии;
3) регулятор поступления энергии в собственно колебательную систему.
Колебательная система каналом обратной связи (рис. 7.19) воздействует на регулятор, информируя регулятор о состоянии этой системы.
Классическим примером механической автоколебательной системы являются часы, в которых маятник или баланс являются колебательной системой, пружина или поднятая гиря - источником энергии, а анкер - регулятором поступления энергии от источника в колебательную систему.
Многие биологические системы (сердце, легкие и др.) являются автоколебательными. Характерный пример электромагнитной автоколебательной системы - генераторы электромагнитных колебаний (см. гл. 23).
7.8. УРАВНЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ВОЛН
Механической волной называют механические возмущения, распространяющиеся в пространстве и несущие энергию.
Различают два основных вида механических волн: упругие волны - распространение упругих деформаций - и волны на поверхности жидкости.
Упругие волны возникают благодаря связям, существующим между частицами среды: перемещение одной частицы от положения равновесия приводит к перемещению соседних частиц. Этот процесс распространяется в пространстве с конечной скоростью.
Уравнение волны выражает зависимость смещения s колеблющейся точки, участвующей в волновом процессе, от координаты ее равновесного положения и времени.
Для волны, распространяющейся вдоль некоторого направления ОХ, эта зависимость записывается в общем виде:
Если s и х направлены вдоль одной прямой, то волна продольная, если они взаимно перпендикулярны, то волна поперечная.
Выведем уравнение плоской волны. Пусть волна распространяется вдоль оси Х (рис. 7.20) без затухания так, что амплитуды колебаний всех точек одинаковы и равны А. Зададим колебание точки с координатой х = 0 (источник колебаний) уравнением
Решение уравнений с частными производными выходит за пределы данного курса. Одно из решений (7.45) известно. Однако важно отметить следующее. Если изменение какой-либо физической величины: механической, тепловой, электрической, магнитной и т.д., - отвечает уравнению (7.49), то это означает, что соответствующая физическая величина распространяется в виде волны со скоростью υ.
7.9. ПОТОК ЭНЕРГИИ ВОЛН. ВЕКТОР УМОВА
Волновой процесс связан с переносом энергии. Количественной характеристикой перенесенной энергии является поток энергии.
Поток энергии волн равен отношению энергии, переносимой волнами через некоторую поверхность, к времени, в течение которого эта энергия перенесена:
Единицей потока энергии волн является ватт (Вт). Найдем связь потока энергии волн с энергией колеблющихся точек и скоростью распространения волны.
Выделим объем среды, в которой распространяется волна, в виде прямоугольного параллелепипеда (рис. 7.21), площадь поперечного сечения которого S, а длина ребра численно равна скорости υ и совпадает с направлением распространения волны. В соответствии с этим за 1 с сквозь площадку S пройдет та энергия, которой обладают колеблющиеся частицы в объеме параллелепипеда Sυ. Это и есть поток энергии волн:
7.10. УДАРНЫЕ ВОЛНЫ
Один из распространенных примеров механической волны - звуковая волна (см. гл. 8). В этом случае максимальная скорость колебаний отдельной молекулы воздуха составляет несколько сантиметров в секунду даже для достаточно большой интенсивности, т.е. она значительно меньше скорости волны (скорость звука в воздухе около 300 м/с). Это соответствует, как принято говорить, малым возмущениям среды.
Однако при больших возмущениях (взрыв, сверхзвуковое движение тел, мощный электрический разряд и т.п.) скорость колеблющихся частиц среды может уже стать сравнимой со скоростью звука, возникает ударная волна.
При взрыве высоконагретые продукты, обладающие большой плотностью, расширяются и сжимают слои окружающего воздуха. С течением времени объем сжатого воздуха возрастает. Поверхность, которая отделяет сжатый воздух от невозмущенного, в физике называют ударной волной. Схематично скачок плотности газа при распространении в нем ударной волны показан на рис. 7.22, а. Для сравнения на этом же рисунке показано изменение плотности среды при прохождении звуковой волны (рис. 7.22, б).
Рис. 7.22
Ударная волна может обладать значительной энергией, так при ядерном взрыве на образование ударной волны в окружающей среде затрачивается около 50% энергии взрыва. Поэтому ударная волна, достигая биологических и технических объектов, способна причинить смерть, увечья и разрушения.
7.11. ЭФФЕКТ ДОППЛЕРА
Эффектом Допплера называют изменение частоты волн, воспринимаемых наблюдателем (приемником волн), вследствие относительного движения источника волн и наблюдателя.
Механические колебания, распространяющиеся в упругой среде (твердой, жидкой или газообразной), называются механическими или упругими волнами .
Процесс распространения колебаний в сплошной среде называется волновым процессом или волной. Частицы среды, в которой распро-страняется волна, не вовлекаются волной в поступательное движение. Они лишь совершают колебания около своих положений равновесия. Вместе с волной от частицы к частице среды передаются лишь со-стояние колебательного движения и его энергия. Поэтому основным свойством всех волн, независимо от их природы, является перенос энергии без переноса вещества .
В зависимости от направления колебаний частиц по отношению
к направлению, в котором распространяется волна, различают про-
дольные и поперечные волны.
Упругая волна называется продольной , если колебания частиц среды происходят в направлении распространения волны. Продоль-ные волны связаны с объемной деформацией растяжения − сжатия среды, поэтому они могут распространяться как в твердых телах, так и
в жидкостях и газообразных средах.
x ляться деформации сдвига. Этим свойст-вом обладают только твердые тела.
λ На рис. 6.1.1 представлена гармони-
висимость смещения всех частиц среды от расстояния до источника колебаний в данный момент времени. Расстояние между ближайшими частицами, колеблющимися в одинаковой фазе, называется длиной волны. Длина волны также равна тому расстоянию,на которое рас-пространяется определенная фаза колебания за период колебаний
Колеблются не только частицы, расположенные вдоль оси 0х , а совокупность частиц, заключенных в некотором объеме. Геометриче-ское место точек, до которых доходят колебания к моменту времени t , называется фронтом волны . Фронт волны представляет собой ту по-верхность, которая отделяет часть пространства, уже вовлеченную в волновой процесс, от области, в которой колебания еще не возникли. Геометрическое место точек, колеблющихся в одинаковой фазе, назы-вается волновой поверхностью . Волновую поверхность можно провес-ти через любую точку пространства, охваченного волновым процес-сом. Волновые поверхности могут быть любой формы. В простейших случаях они имеют форму плоскости или сферы. Соответственно вол-на в этих случаях называется плоской или сферической. В плоской волне волновые поверхности представляют собой множество парал-лельных друг другу плоскостей, а в сферической − множество концен-трических сфер.
Уравнение плоской волны
Уравнением плоской волны называется выражение, которое да-ет смещение колеблющейся частицы как функцию ее координат x , y , z и времени t
| S = S (x , y , z ,t ). | (6.2.1) |
Эта функция должна быть периодической как относительно времени t , так и относительно координат x , y , z . Периодичность по времени вытекает из того, что смещение S описывает колебания час-тицы с координатами x , y , z , а периодичность по координатам следует из того, что точки, отстоящие друг от друга на расстоянии, равном длине волны, колеблются одинаковым образом.
Предположим, что колебания носят гармонический характер, а ось 0х совпадает с направлением распространения волны. Тогда вол-новые поверхности будут перпендикулярны оси 0х и, поскольку все
точки волновой поверхности колеблются одинаково, смещение S бу-дет зависеть только от координаты х и времени t
Найдем вид колебания точек в плоскости, соответствующей произвольному значению х . Для того, чтобы пройти путь от плоско-сти х = 0 до плоскости х , волне требуется время τ = x /υ. Следователь-но, колебания частиц, лежащих в плоскости х , будут отставать по времени на τ от колебаний частиц в плоскости х = 0 и описываться уравнением
| S ( x ; t )= A cosω( t − τ)+ϕ | = A cos | ω t − | x | +ϕ | . (6.2.4) | |||||
| υ |
где А − амплитуда волны; ϕ 0 − начальная фаза волны (определяется выбором начал отсчета х и t ).
Зафиксируем какое-либо значение фазы ω(t − x υ) +ϕ 0 = const .
Это выражение определяет связь между временем t и тем местом х , в котором фаза имеет фиксированное значение. Продифференцировав данное выражение, получим
Придадим уравнению плоской волны симметричный относи-
тельно х и t вид. Для этого введем величину k = 2 λ π , которая называ-
ется волновым числом , которое можно представить в виде
Мы предполагали, что амплитуда колебаний не зависит от х . Для плоской волны это наблюдается в том случае, когда энергия вол-ны не поглощается средой. При распространении в поглощающей энергию среде интенсивность волны с удалением от источника коле-баний постепенно уменьшается, т. е. наблюдается затухание волны. В однородной среде такое затухание происходит по экспоненциальному
закону A = A 0 e −β x . Тогда уравнение плоской волны для поглощающей среды имеет вид
где r r − радиус-вектор, точки волны; k = k ⋅n r − волновой вектор ; n r − единичный вектор нормали к волновой поверхности.
Волновой вектор −это вектор,равный по модулю волновомучислу k и имеющий направление нормали к волновой поверхности на-
| зывается. | |||
| Перейдем от радиус-вектора точки к ее координатам x , y , z | |||
| r | r | (6.3.2) | |
| k | ⋅ r = k x x + k y y + k z z . | ||
| Тогда уравнение (6.3.1) примет вид | |||
| S (x , y , z ; t )= A cos(ω t − k x x − k y y − k z z +ϕ 0). | (6.3.3) |
Установим вид волнового уравнения. Для этого найдем вторые частные производные по координатам и времени выражение (6.3.3)
| ∂ 2 S | r | r | |||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ∂t | = −ω A cos | (ωt − k ⋅ r | +ϕ 0) = −ω S ; | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ∂ 2 S | r | r | |||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ∂x | = − k x A cos(ω t − k | ⋅ r | +ϕ 0) = −k x S | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
| . | (6.3.4) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ∂ 2 S | r | r | |||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ∂y | = − k y A cos | (ωt − k ⋅ r | +ϕ 0) = −k y S ; | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ∂ 2 S | r | r | |||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ∂z | = − k z A cos(ω t − k | ⋅ r | +ϕ 0) = −k z S | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Сложив производные по координатам, и с учетом производной | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| по времени, получим | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ∂ | 2 | 2 | ∂ | 2 | ∂ | 2 | |||||||||||||||||||||||||||||||
| S 2 | + ∂ | S 2 | + | S 2 | = − (k x 2 + k y 2 + k z 2)S | = − k 2 S = | k | S 2 . | (6.3.5) | ||||||||||||||||||||||||||||
| ∂t | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ∂x | ∂y | ∂z | ω | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 2 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Произведем замену | k | = | ω 2 | = | и получим волновое уравнение | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| ω | υ | ω | υ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ∂ 2 S | + | ∂ 2 S | + | ∂ 2 S | = | 1 ∂ 2 S | или | S = | 1 ∂ 2 S | , | (6.3.6) | ||||||||||||||||||||||||||
| ∂x 2 | ∂y 2 | ∂z 2 | υ 2 ∂t 2 | υ 2 ∂t 2 | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| где = | ∂ 2 | + | ∂ 2 | + | ∂ 2 | − оператор Лапласа. | |||||||||||||||||||||||||||||||
| ∂x 2 | ∂y 2 | ∂z 2 |
Лекция № 9
Механические волны
6.1. Распространение колебаний в упругой среде .
6.2. Уравнение плоской волны .
6.3. Волновое уравнение .
6.4. Скорость распространения волн в различных средах .
Механические колебания, распространяющиеся в упругой среде (твердой, жидкой или газообразной), называются механическими или упругими волнами .
Процесс распространения колебаний в сплошной среде принято называть волновым процессом или волной. Частицы среды, в которой распространяется волна, не вовлекаются волной в поступательное движение. они лишь совершают колебания около своих положений равновесия. Вместе с волной от частицы к частице среды передаются лишь состояние колебательного движения и его энергия. По этой причине основным свойством всех волн, независимо от их природы, является перенос энергии без переноса вещества .
Учитывая зависимость отнаправления колебаний частиц по отношению к направлению, в котором распространяется волна, различают продольные и поперечные волны.
продольной , если колебания частиц среды происходят в направлении распространения волны. Продольные волны связаны с объемной деформацией растяжения − сжатия среды, в связи с этим они могут распространяться как в твердых телах, так и в жидкостях и газообразных средах.
Упругая волна принято называть поперечной
, если колебания частиц среды происходят в плоскостях, перпендикулярных к направлению распространения волны Поперечные волны могут возникать только в такой среде, которая обладает упругостью формы, т. е. способна сопротивляться деформации сдвига. Этим свойством обладают только твердые тела.
На рис. 6.1.1 представлена гармоническая поперечная волна, распространяющаяся вдоль оси 0х . График волны дает зависимость смещения всех частиц среды от расстояния до источника колебаний в данный момент времени. Расстояние между ближайшими частицами, колеблющимися в одинаковой фазе, принято называть длиной волны. Длина волны также равна тому расстоянию, на ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ распространяется определенная фаза колебания за период колебаний
Колеблются не только частицы, расположенные вдоль оси 0х , а совокупность частиц, заключенных в некотором объеме. Геометрическое место точек, до которых доходят колебания к моменту времени t , принято называть фронтом волны . Фронт волны представляет собой ту поверхность, которая отделяет часть пространства, уже вовлеченную в волновой процесс, от области, в которой колебания еще не возникли. Геометрическое место точек, колеблющихся в одинаковой фазе, принято называть волновой поверхностью . Волновую поверхность можно провести через любую точку пространства, охваченного волновым процессом. Волновые поверхности бывают любой формы. В простейших случаях они имеют форму плоскости или сферы. Соответственно волна в этих случаях принято называть плоской или сферической. В плоской волне волновые поверхности представляют собой множество параллельных друг другу плоскостей, а в сферической − множество концентрических сфер.
