Мы перейдем теперь к изучению распространения колебаний. Если речь идет о механических колебаниях, т. е. о колебательном движении частиц какой-либо твердой, жидкой или газообразной среды, то распространение колебаний означает передачу колебаний от одних частиц среды к другим. Передача колебаний обусловлена тем, что смежные участки среды связаны между собой. Эта связь может осуществляться различно. Она может быть обусловлена, в частности, силами упругости, возникающими вследствие деформации среды при ее колебаниях. В результате колебание, вызванное каким-либо образом в одном месте, влечет за собой последовательное возникновение колебаний в других местах, все более и более удаленных от первоначального, и возникает так называемая волна.

Механические волновые явления имеют огромное значение для повседневной жизни. К этим явлениям относится распространение звуковых колебаний, обусловленное упругостью окружающего нас воздуха. Благодаря упругим волнам мы можем слышать на расстоянии. Круги, разбегающиеся на поверхности воды от брошенного камня, мелкая рябь на поверхности озера и огромные океанские волны - это тоже механические волны, хотя и иного типа. Здесь связь смежных участков поверхности воды обусловлена не силой упругости, а силой тяжести (§38) или же силами поверхностного натяжения (см. том I, § 250). В воздухе могут распространяться не только звуковые волны, но и разрушительные взрывные волны от разрывов снарядов и бомб. Сейсмические станции записывают колебания почвы, вызванные землетрясениями, происходящими за тысячи километров. Это возможно только потому, что от места землетрясения распространяются сейсмические волны - колебания в земной коре.

Огромную роль играют и волновые явления совершенно иной природы, а именно электромагнитные волны. Эти волны представляют собой передачу из одних мест пространства в другие колебаний электрического и магнитного полей, создаваемых электрическими зарядами и токами. Связь между соседними участками электромагнитного поля обусловлена тем, что всякое изменение электрического поля вызывает появление магнитного поля, и обратно, всякое изменение магнитного поля создает электрическое поле (§ 54), Твердая, жидкая или газообразная среда может сильно влиять на распространение электромагнитных волн, но наличие такой среды для этих волн не необходимо. Электромагнитные волны могут распространяться всюду, где может существовать электромагнитное поле, а значит, и в вакууме, т. е. в пространстве, не содержащем атомов.

К явлениям, обусловленным электромагнитными волнами, относится, например, свет. Подобно тому как определенный диапазон частот механических колебаний воспринимается нашим ухом и дает нам ощущение звука, так определенный (и, как мы увидим, очень узкий) диапазон частот электромагнитных колебаний вое принимается нашим глазом и дает нам ощущение света.

Наблюдая распространение света, можно непосредственно убедиться, что электромагнитные волны могут распространяться в вакууме. Поставив под стеклянный колокол воздушного насоса электрический или заводной звонок и откачивая воздух, мы обнаруживаем, что звук по мере откачки постепенно замирает и, наконец, прекращается. Видимая же глазом картина всего, что находится под колоколом и позади него, не испытывает никаких изменений. Трудно переоценить это свойство электромагнитных волн. Механические волны не выходят за пределы земной атмосферы; волны же электромагнитные открывают нам широчайшие просторы Вселенной. Световые волны позволяют нам видеть Солнце, звезды и другие небесные тела, отделенные от нас огромными «пустыми» пространствами; с помощью электромагнитных волн весьма разнообразной длины, которые доходят до нас от этих отдаленных тел, мы можем делать важнейшие заключения об устройстве Вселенной.

В 1895г. русский физик и изобретатель Александр Степанович Попов (1859-1906) открыл новое необозримое поле применения электромагнитных волн. Он изобрел аппаратуру, позволяющую использовать эти волны для передачи сигналов - телеграфирования без проводов. Так родилась беспроволочная связь, или радио, благодаря которой получил исключительное практическое и научное значение обширный диапазон электромагнитных волн, значительно более длинных, чем световые (§ 60).

Нынешнее развитие этого величайшего изобретения таково, что можно с полным основанием говорить о радио как об одном из чудес современной техники. В наши дни радио дает возможность не только осуществлять беспроволочную телеграфную и телефонную связь между любыми пунктами на земном шаре, но и передавать изображения (телевидение и фототелеграфия), управлять на расстоянии машинами и снарядами (телеуправление), обнаруживать и даже видеть удаленные объекты, которые сами по себе не излучают радиоволн (радиолокация), водить по заданному курсу корабли и самолеты (радионавигация), наблюдать радиоизлучение небесных тел (радиоастрономия) и т. д.

Ниже мы еще рассмотрим некоторые из названных здесь применений электромагнитных волн более подробно. Но даже простое (и далеко не полное) перечисление этих применений немало говорит об исключительном значении этих волн.

Несмотря на различную природу механических и электромагнитных волн, существует много общих закономерностей, свойственных любым волновым явлениям. Одна из основных закономерностей такого рода состоит в том, что всякая волна распространяется из одной точки в другую не мгновенно, а с определенной скоростью.

Акустические и электромагнитные волны, распространяющиеся в различных средах и устройствах, подчиняются единым волновым законам. Это явления возбуждения волн конкретными источниками, отражения и преломления волн на границе раздела сред, рассеяние на неоднородностях, рефракция (искривление траектории распространения волн), поглощение энергии, интерференция.

Распространение волн любой природы легко понять и объяснить, если обратиться к принципу Гюйгенса: каждая точка среды, вовлеченная в волновое движение, становится источником новой волны, называемой элементарной волной. Наблюдаемый волновой фронт представляет собой результат сложения множества элементарных волн (рис. 1.1). Принцип Гюйгенса справедлив для всех видов волн, в том числе для акустических и электромагнитных.

Рис. 1.1. Положение фронта волны в разные моменты времени,

определяемое на основе принципа Гюйгенса

Направление распространения волны обычно называют лучом. Волновой фронт перпендикулярен лучу. У цилиндрических и сферических волн, распространяющихся от источника возбуждения, лучи направлены радиально, а волновые фронты представляют собой соответственно цилиндры или сферы (рис. 1.2 а ). В случае плоского или удаленного источника возникают плоские волны. В них лучи параллельны, а волновые фронты представляют собой плоскости (рис. 1.2б ).

Если на пути распространения волны встречается граница со средой, свойства которой отличаются от свойств среды распространения, наблюдается эффект частичного или полного отражения, а также частичного (а в некоторых случаях и полного) прохождения во вторую среду. Поскольку фронт волны перпендикулярен направлению распространения волны в однородной среде, то из простых геометрических построений доказывается равенство углов падения и отражения волн (рис. 1.3). Однако в отличие от электромагнитных волн для акустических в ряде случаев может наблюдаться эффект расщепления волн и появление волнового луча, отраженного под другим углом (см. лекцию 15).

Направление распространения преломленных волн зависит от соотношения скорости распространения волн в первой и второй средах (рис. 1.4). Анализ поведения волн на границе раздела сред легко выполнить на основе применения принципа Гюйгенса и рассмотрения элементарных волн, возбуждаемых на границе.

Рис. 1.2. Волновые фронты и лучи:

а – в радиально распространяющейся волне;б – в плоской волне

Рис. 1.3. Отражение плоской волны на границе раздела сред

Если свойства среды, влияющие на скорость распространения волны, меняются, то может наблюдаться такое явление, как рефракция. Рефракцией называется искривление траектории распространения волны в неоднородной среде.

Рис. 1.4. Преломление плоской волны на границе раздела сред

Если на пути распространения волны встречается какое-либо тело, то это приводит к нарушению структуры поля. Например, наблюдается эффект огибания волнами препятствия. В физике подобное явление называют дифракцией . Возникающая при этом картина поля существенно зависит от соотношения размеров препятствий и длины волны. На рис. 1.5 показано, как меняется структура поля плоской волны, «просачивающейся» через отверстие малых размеров. В ряде случаев анализ дифрагированного поля можно вновь выполнить на основе рассмотрения элементарных волн и принципа Гюйгенса.

Рис.1.5. Дифракция плоской волны на отверстии малых размеров

Возникновение дополнительных акустических или электромагнитных полей в результате дифракции соответствующих волн на препятствиях, помещенных в среду, на неоднородностях среды, а также на неровных и неоднородных границах сред, называется рассеянием волн. При рассеянии результирующее поле можно представить в виде суммы первичной волны, существовавшей в отсутствие препятствий, и рассеянной (вторичной) волны, возникшей в результате взаимодействия первичной волны с препятствиями. Если препятствий много, то общая картина поля образуется суммированием повторно и многократно рассеянных волн.

Еще одно важное понятие, используемое в теории волновых процессов, – интерференция волн. Интерференцией волн называется сложение в пространстве двух или нескольких волн, при котором в разных точках пространства получается усиление или ослабление амплитуды результирующей волны. Интерференция наблюдается у волн любой природы, в том числе, у акустических и электромагнитных.

Рис. 1.6. Интерференционная картина сложения волн двух источников

Данные явления присущи волнам любой природы. Причем явления интерференции, дифракции, поляризации и свойственны только волновым процессам и бывают объяснены только на базе волновой теории.

Отражение и преломление. Распространение волн геометрически описывается с помощью лучей. В однородной среде (n = const) лучи прямолинœейны. При этом, на границе раздела сред их направления меняются. При этом образуется две волны: отраженная, распространяющаяся в первой среде с прежней скоростью, и преломленная, распространяющаяся во второй среде с другой скоростью, зависящей от свойств этой среды. Явление отражения известно как для звуковых (эхо), так и для световых волн. Благодаря отражению света формируется мнимое изображение в зеркале. Преломление света лежит в базе множества интересных атмосферных явлений. Оно широко используется в различных оптических устройствах: линзах, призмах, оптических волокнах. Эти устройства являются элементами приборов самого разного назначения: фотоаппаратов, микроскопов и телœескопов, перископов, проекторов, оптических систем связи и т.д.

Интерференция волн – явление перераспределœения энергии при наложении двух (или нескольких) когерентных (согласованных) волн, сопровождающееся возникновением интерференционной картины чередующихся максимумов и минимумов интенсивности (амплитуды) результирующей волны. Когерентными называются волны, для которых разность фаз в точке сложения остаётся неизменной во времени, но может изменяться от точки к точке и в пространстве. В случае если волны встречаются ʼʼв фазеʼʼ, ᴛ.ᴇ. одновременно достигают максимального отклонения в одном направлении, то они усиливают друг друга, а если встречаются ʼʼв противофазеʼʼ, ᴛ.ᴇ. одновременно достигают противоположных отклонений, то ослабляют друг друга. Согласование колебаний двух волн (когерентность) двух волн в случае света возможно, только если они имеют общее происхождение, что обусловлено особенностями процессов излучения. Исключение составляют лазеры, излучение которых характеризуется высокой когерентностью. По этой причине для наблюдения интерференции свет, идущий от одного источника делят на две группы волн, либо пропуская через два отверстия (щели) в непрозрачном экране, либо за счёт отражения и преломления на границе сред в тонких пленках. Интерференционная картина от монохроматического источника (λ =const ) на экране для лучей, прошедших через две узкие близко расположенные щели, имеет вид чередующихся ярких и темных полос (опыт Юнга, 1801 ᴦ.). Яркие полосы – максимумы интенсивности наблюдаются в тех точках экрана, в которых волны от двух щелœей встречаются ʼʼв фазеʼʼ, т. е. их разность фаз

, m =0,1,2,…, (3.10)

Это соответствует разности хода лучей, кратной целому числу длин волн λ

, m =0,1,2,…, (3.11)

Темные полосы (взаимные погашения), ᴛ.ᴇ. минимумы интенсивности возникают в тех точках экрана, в которых волны встречаются ʼʼв противофазеʼʼ, т. е. их разность фаз составляет

, m =0,1,2,…, (3.12)

Это соответствует разности хода лучей, кратной нечетному числу полуволн

, m =0,1,2,…. (3.13)

Интерференция наблюдается для различных волн. Интерференция белого света͵ включающего всœе волны видимого света в диапазоне длин волн мкм может проявляться в виде радужной окраски тонких пленок бензина на поверхности воды, мыльных пузырей, окисных пленок на поверхности металлов. Условия интерференционного максимума в разных точках пленки выполняются для разных волн с разной длиной волны, что приводит к усилению волн разного цвета. Условия интерференции определяются длиной волны, которая для видимого света составляет доли микрон (1 мкм = 10 -6 м), в связи с этим данное явление лежит в базе различных прецизионных (ʼʼсверхточныхʼʼ) методов исследования, контроля и измерения. На использовании интерференции основано использование интерферометров, интерференционных спектроскопов, а также метод голографии. Интерференция света используется для измерения длины волны излучения, исследования тонкой структуры спектральных линий, определœения плотностей, показателœей преломления веществ, толщины тонких покрытий.

Дифракция – совокупность явлений, возникающих при распространении волны в среде с резко выраженной неоднородностью свойств. Это наблюдается при прохождении волн через отверстие в экране, вблизи границы непрозрачных объектов и т.д. Дифракция приводит к огибанию волной препятствия, размеры которого соизмеримы с длиной волны. В случае если размер препятствия намного превышает длину волны, то дифракция проявляется слабо. На макроскопических препятствиях наблюдается дифракция звуковых, сейсмических волн, радиоволн, для которых 1см км. Стоит сказать, что для наблюдения дифракции света препятствия должны иметь существенно меньшие размеры. Дифракцией звуковых волн объясняется возможность слышать голос человека, находящегося за углом дома. Дифракцией радиоволн вокруг поверхности Земли объясняется приём радиосигналов в диапазоне длинных и средних радиоволн далеко за пределами прямой видимости излучающей антенны.

Дифракция волн сопровождается их интерференцией, что приводит к формированию дифракционной картины, чередующихся максимумов и минимумов интенсивности. При похождении света через дифракционную решетку, представляющую собой совокупность чередующихся параллельных прозрачных и непрозрачных полос (до 1000 на 1мм), на экране возникает дифракционная картина, положение максимумов которой зависит от длины волны излучения. Это позволяет использовать дифракционную решетку для анализа спектрального состава излучения. Структура кристаллического вещества подобна трехмерной дифракционной решетки. Наблюдение дифракционной картины при прохождении рентгеновского излучения, пучка электронов или нейронов, через кристаллы, в которых упорядоченно расположены частицы вещества (атомы, ионы, молекулы), позволяет исследовать особенности их структуры. Характерной величиной для межатомных расстояний является d~10 -10 м, что соответствует длинам волн используемых излучений и делает их незаменимыми для кристаллографического анализа.

Дифракция света определяет предел разрешающей способности оптических приборов (телœескопов, микроскопов и др.). Разрешающая способность – минимальное расстояние между двумя объектами, при котором они видны раздельно, не сливаются – разрешаются. Из-за дифракции изображение точечного источника (к примеру, звезды в телœескопе) имеет вид кружка, так что близко расположенные объекты не разрешаются. Разрешающая способность зависит от ряда параметров, в т. ч. от длины волны: чем меньше длина волны, тем лучше разрешение. По этой причине размер объекта͵ наблюдаемого в оптическом микроскопе, ограничен длиной световой волны (приблизительно 0,5 мкм).

Явление интерференции и дифракции света лежат в базе принципа записи и воспроизведения изображения в голографии. В предложенном в 1948 году Д. Габором (1900 – 1979) методе фиксируется интерференционная картина, полученная при освещении объекта и фотопластинки когерентными лучами. Полученная голограмма представляет собой чередующиеся светлые и темные пятна, не имеющие сходства с объектом, однако, дифракция от голограммы световых волн, идентичных использовавшимся при ее записи, позволяет восстановить волну, рассеянную реальным объектом и получить его объёмное изображение.

Поляризация – явление свойственное только поперечным волнам. Поперечность световых волн (как и любых других электромагнитных волн) выражается в том, что колеблющиеся в них векторы напряженности электрического () и индукции магнитного () полей перпендикулярны направлению распространения волны. Вместе с тем, эти векторы взаимно перпендикулярны, в связи с этим для полного описания состояния поляризации света требуется знать поведение лишь одного из них. Действие света на регистрирующие устройства определяется вектором напряженности электрического поля, который называют световым вектором.

Световые волны, испущенные естественным источником излучения ᴛ.ᴇ. множеством независимых атомов, являются не поляризованными, т.к. направление колебаний светового вектора () в естественном луче непрерывно и беспорядочно изменятся, оставаясь перпендикулярным вектору скорости волны.

Свет, у которого направление светового вектора остается неизменным, принято называть линœейно поляризованным. Поляризация – упорядочение колебаний вектора. Примером может служить гармоническая волна. Для поляризации света используются устройства, называемые поляризаторами, действие которых основано на особенностях процессов отражения и преломления света͵ а так же на анизотропии оптических свойств вещества в кристаллическом состоянии. Световой вектор в луче, прошедшем через поляризатор, колеблется в плоскости называемой плоскостью поляризатора. При прохождении поляризованного света через второй поляризатор оказывается, что интенсивности прошедшего луча изменяется при вращении поляризатора. Свет проходит через прибор без поглощения, в случае если его поляризация совпадает с плоскостью второго поляризатора и полностью им задерживается при повороте кристалла на 90 градусов, когда плоскость колебаний поляризованного света оказывается перпендикулярно плоскости второго поляризатора.

Поляризация света нашла широкое применение в различных отраслях научных исследований и техники. она используется в микроскопических исследованиях, в процессах звукозаписи, оптической локации, скоростной кино- и фотосъемке, в пищевой промышленности (сахариметрия) и т.д.

Дисперсия - зависимость скорости распространения волн от их частоты (длины волны). При распространении электромагнитных волн в среде возникает -

Дисперсия определяется физическими свойствами той среды, в которой распространяются волны. К примеру, в вакууме электромагнитные волны распространяются без дисперсии, в вещественной же среде, даже в такой разреженной, как ионосфера Земли, возникает дисперсия. Звуковые и ультразвуковые волны также обнаруживают дисперсию. При распространении их в среде гармонические волны разных частот, на которые должна быть разложен сигнал, распространяются с различной скоростью, что приводит к искажению формы сигналов. Дисперсия света - зависимость показателя преломления вещества от частоты (длины волны) света. При изменении скорости света исходя из частоты (длины волны) показатель преломления меняется. В следствии дисперсии белый свет, состоящий из множества волн различной частоты, при прохождении сквозь прозрачную трехгранную призму разлагается и образуется сплошной (непрерывный) спектр.
Размещено на реф.рф
Изучение этого спектра привело И. Ньютона (1672) к открытию дисперсии света. Для веществ, прозрачных в данной области спектра, показатель преломленияувеличивается с увеличением частоты (уменьшением длины волны), чему и соответствует распределœение цветов в спектре. Наибольший показатель преломления оказывается для фиолетового света (=0,38 мкм), наименьший у красного (=0,76 мкм). Подобное явление наблюдается в природе при распространении солнечного света в атмосфере и его преломлении в частицах воды (летом) и льда (зимой). При этом возникает радуга или солнечное гало.

Эффект Доплера. Эффект Доплера - изменение частоты или длины волн, воспринимаемых наблюдателœем (приёмником), вследствие движения источника волн и наблюдателя относительно друг друга. Скорость волны u определяется свойствами среды и при движении источника или наблюдателя не меняется. В случае если наблюдатель или источник волн движется со скоростью относительно среды, то частота v принимаемых волнстановится иной. При этом, как установил К. Доплер (1803 – 1853), при приближении наблюдателя к источнику частота волн увеличивается, а при удалении – уменьшается. Это соответствует уменьшению длины волны λ при сближении источника и наблюдателя и увеличению λ при их взаимном удалении. Для звуковых волн Эффект Доплера проявляется в повышении тона звука, когда источник звука и наблюдатель сближаются (за 1 сек наблюдатель воспринимает большее число волн), и соответственно в понижении тона звука, когда они удаляются. Эффект Доплера обуславливает и ʼʼкрасное смещениеʼʼ, что описано выше. - понижение частот электромагнитного излучения от движущегося источника. Это название связано с тем, что в видимой части спектра в результате эффекта Доплера линии оказываются смещенными к красному концу; ʼʼкрасное смещениеʼʼ наблюдается и в излучениях любых других частот, к примеру в радиодиапазоне. Противоположный эффект, связанный с повышением частот, принято называть синим (или фиолетовым) смещением. В астрофизике рассматриваются два ʼʼкрасных смещенияʼʼ - космологическое и гравитационное. Космологическим (метагалактическим) называют ʼʼкрасное смещениеʼʼ, наблюдаемое для всœех далёких источников (галактик, квазаров) - понижение частот излучения, свидетельствующее об удалении этих источников друг от друга и, в частности, от нашей Галактики, т. е. о нестационарности (расширении) Метагалактики. ʼʼКрасное смещениеʼʼ для галактик было обнаружено американским астрономом В. Слайфером в 1912-14; в 1929 Э. Хаббл открыл, что для далёких галактик оно больше, чем для близких, и возрастает приблизительно пропорционально расстоянию. Это позволило выявить закон взаимного удаления (разбегания) галактик. Закон Хаббла в данном случае записывается в форме

u = Hr ; (3.14)

(u – скорость удаления галактики, r – расстояние до нее, Н - постоянная Хаббла). Определяя по величинœе ʼʼкрасного смещенияʼʼ скорость удаления галактики можно рассчитать расстояние до нее. Для определœения расстояний до внегалактических объектов по этой формуле нужно знать численное значение постоянной Хаббла Н. Знание этой постоянной очень важно и для космологии: с ней связано определœение ʼʼвозрастаʼʼ Вселœенной. В начале семидесятых годов двадцатого века для постоянной Хаббла принято значение Н = (3 – 5)*10 -18 с -1 , обратная величина Т = 1/Н = 18 млрд. лет. Гравитационное ʼʼкрасное смещениеʼʼ является следствием замедления темпа времени и обусловлено гравитационным полем (эффект общей теории относительности). Это явление принято называть также эффектом Эйнштейна или обобщённым эффектом Доплера. Оно наблюдалось начиная с 1919 сначала в излучении Солнца, а затем и некоторых других звёзд. В ряде случаев (к примеру, при гравитационном коллапсе) должно наблюдаться ʼʼкрасное смещениеʼʼ обоих типов.

Мы начали изучение колебаний с механических колебаний. Мы убедились далее, что в основе звуковых явлений, т. е. явлений, воспринимаемых ухом, тоже лежат механические колебания, отличающиеся от колебаний маятника лишь более высокими частотами. Затем мы рас...

§ 33. Волновые явления

Мы перейдем теперь к изучению распространения колебаний. Если речь идет о механических колебаниях, т. е. о колебательном движении частиц какой-либо твердой, жидкой или газообразной среды, то распространение колебаний означает передачу колебаний от одних ч...

§ 34. Скорость распространения волн

В том, что распространение механических волн происходит не мгновенно, нас убеждают простейшие наблюдения. Каждый видел, как постепенно и равномерно расширяются круги на воде или как бегут морские волны. Здесь мы непосредственно видим, что распространение...

§ 35. Радиолокация, гидроакустическая локация и звукометрия

Если скорость распространения волн известна, то измерение их запаздывания позволяет решить обратную задачу: найти пройденное ими расстояние. Ничтожные промежутки времени, затрачиваемые электромагнитными волнами на пробег наземных расстояний, теперь уже не...

§ 36. Поперечные волны в шнуре

Мы перейдем теперь к более подробному изучению механических волн. Их свойства зависят от многих обстоятельств: от вида связи между смежными участками среды, от размеров среды (например, в теле ограниченных размеров картина распространения будет иная, чем...

§ 37. Продольные волны в столбе воздуха

Мы познакомимся теперь с другим видом волн, причем опять возьмем тело удлиненной формы, а именно столб воздуха, заключенный в трубе. Вдоль трубы может двигаться поршень. Заставим этот поршень совершать гармоническое колебание. Что будет происходить в стол...

§ 38. Волны на поверхности жидкости

Мы уже упоминали о волнах, образование которых обусловлено не силой упругости, а силой тяжести. Именно поэтому нас не должно удивлять, что волны, распространяющиеся по поверхности жидкости, не являются продольными. Однако они не являются и поперечными: дв...

§ 39. Перенос энергии волнами

Распространение механической волны, представляющее собой последовательную передачу движения от одного участка среды к другому, означает тем самым передачу энергии. Эту энергию доставляет источник волны, когда он приводит в движение непосредственно прилега...

§ 40. Отражение волн

Поставим на пути волн в водяной ванне плоскую пластинку, длина которой велика по сравнению с длиной волны. Мы увидим следующее. Позади пластинки получается область, в которой поверхность воды остается почти в покое (рис. 83). Другими словами, пластинка с...

>> Волновые явления

§ 42 ВОЛНОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ

Каждый из нас наблюдал, как от камня, брошенного на спокойную поверхность пруда или озера, кругами разбегаются волны (рис. 6.1). Многие следили за морскими волнами, набегающими на берег. Все читали рассказы о морских путешествиях, о чудовищной силе морских волн, легко раскачивающих большие корабли. Однако при наб.тюдении этих явлений не всем известно, что звук всплеска воды доносится до нашего уха волнами в том воздухе, которым мы дышим, что свет, с помощью которого мы зрительно воспринимаем окружающее, тоже представляет собой волновое движение.

Волновые процессы чрезвычайно широко распространены в природе . Различны физические причины, вызывающие волновые движения. Но, подобно колебаниям, все виды волн описываются количественно одинаковыми или почти одинаковыми законами. Многие трудные для понимания вопросы становятся более ясными, если сравнивать различные волновые явления.

Что же называют волной? Почему возникают волны? Отдельные частицы любого тела -твердого, жидкого или газообразного - взаимодействуют друг с другом. Поэтому если какая-либо частица тела начинает совершать колебательные движения, то в результате взаимодействия между частицами это движение начинает с некоторой скоростью распространяться во все стороны.

Волна - это колебания, распространяющиеся в пространстве с течением времени.

В воздухе, твердых телах и внутри жидкостей механические волны возникают благодаря действию сил упругости. Эти силы осуществляют связь между отдельными частями тела. Образование волн на поверхности воды вызывают сила тяжести и сила поверхностного натяжения.

Наиболее отчетливо главные особенности волнового движения можно увидеть, если рассматривать волны на поверхности воды. Это могут быть, например, волны, которые представляют собой бегущие вперед округлые валы. Расстояния между валами, или гребнями, примерно одинаковы. Однако если на поверхности воды, по которой бежит волна, находится легкий предмет, например лист с дерева, то он не будет увлекаться вперед волной, а начнет соверпгать колебания вверх и вниз, оставаясь почти на одном месте.

При возбуждении волны происходит процесс распространения колебаний, но не перенос вещества. Возникшие в каком-то месте колебания воды, например от брошенного камня, передаются соседним участкам и постепенно распространяются во все стороны, вовлекая в колебательные движения все новые и новые частицы среды. Течение же воды не возникает, перемещаются лишь локальные формы ее поверхности.

Скорость волны. Важнейшей характеристикой волны является скорость ее распространения. Волны любой природы не распространяются в пространстве мгновенно. Их скорость конечна. Можно себе, например, представить, что над морем летит чайка, причем так, что она все время оказывается над одним и тем же гребнем волны. Скорость волны в этом случае равна скорости чайки. Волны на поверхности воды удобны для наблюдения, так как скорость их распространения сравнительно невелика.

Поперечные и продольные волны. Нетрудно также наблюдать волны, распространяющиеся вдоль резинового шнура. Если один конец шнура закрепить и, слегка натянув шнур рукой, привести другой его конец в колебательное движение, то по шнуру побежит волна (рис. 6.2).

Скорость волны будет тем больше, чем сильнее натянут шнур. Волна добежит до точки закрепления шнура, отразится и побежит назад. В этом опыте при распространении волны происходят изменения формы шнура. Каждый участок шнура колеблется относительно своего неизменного положения равновесия.

Обратим внимание на то, что при распространении волны вдоль шнура колебания совершаются в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны. Такие волны называются поперечными (рис. 6.3). 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 1 .

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 в твердых телах.

Но колебания частиц среды могут происходить и вдоль направления распространения волны (рис. 6.4). Такая волна называется продольной. Продольную волну удобно наблюдать на длинной мягкой пружине большого диаметра. Ударив ладонью по одному из концов пружины (рис. 6.5, а), можно заметить, как сжатие (упругий импульс) бежит по пружине. С помощью серии последовательных ударов можно возбудить в пружине волну, представляющую собой последовательные сжатия и растяжения пружины, бегущие друг за другом (рис. 6.5, б).

Итак, в продольной волне происходит деформация сжатия. Силы упругости, связанные с этой деформацией, возникают как в твердых телах, так и в жидкостях и газах.

1 Когда мы говорим о колебаниях частиц среды, то имеем в виду колебания малых объемов среды, а не колебания молекул.

Эти силы вызывают колебания отдельных участков среды. Поэтому продольные волны могут распространяться во всех упругих средах. В твердых телах скорость продольных волн больше скорости поперечных.

Это учитывается при определении расстояния от очага землетрясения до сейсмической станции. Вначале на станции регистрируется продольная волна, так как ее скорость в земной коре больше, чем поперечной. Спустя некоторое время регистрируется поперечная волна, возбуждаемая при землетрясении одновременно с продольной. Зная скорости продольных и поперечных волн в земной коре и время запаздывания поперечной волны, можно определить расстояние до очага землетрясения.

Энергия волны. При распространении механической волны движение передается от одних частиц среды к другим. С передачей движения связана передача энергии . Основное свойство всех волн независимо от их природы состоит в переносе ими энергии без переноса вепцества. Энергия поступает от источника, возбуждающего колебания начала шнура, струны и т. д., и распространяется вместе с волной. Через любое поперечное сечение, например шнура, передается энергия. 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.

Волна - это колебания, распространяющиеся в пространстве с течением времени. Скорость волны конечна. Волна переносит энергию, но не переносит вещество среды.

1. Какие волны называются поперечными, а какие продольными!
2. Может ли в воде распространяться поперечная волна!

Мякишев Г. Я., Физика. 11 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений: базовый и профил. уровни / Г. Я. Мякишев, Б. В. Буховцев, В. М. Чаругин; под ред. В. И. Николаева, Н. А. Парфентьевой. - 17-е изд., перераб. и доп. - М. : Просвещение, 2008. - 399 с: ил.

Планирование физике, материалы по физике 11 класса скачать , учебники онлайн

Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные уроки