Поширення коливального руху на різних середовищах. Відеоурок «Розповсюдження коливань у середовищі

§ 1 Поширення коливань серед. Поздовжні та поперечні хвилі

Розглянемо, як поширюються коливання у різних середовищах. Часто ви могли спостерігати, як від поплавця або від кинутого каменю по воді розходяться кола. Коливання, що створюють деформацію середовища в просторі, можуть стати джерелом, наприклад, хвиль землетрусів, морських хвиль або звуку. Якщо розглядати звук, то коливання виробляють як джерело звуку (струна або камертон), і приймач звуку, наприклад, мембрана мікрофона. Вагання робить і власне середовище, через яке йде хвиля.

Процес поширення коливань у просторі з часом називається хвилею. Хвилі - це обурення, що розповсюджуються у просторі, що віддаляються від місця їх виникнення.

Слід зазначити, що поширення механічних хвиль можливе тільки в газовому, рідкому та твердому середовищах. Механічна хвиля не може виникнути у вакуумі.

Тверді, рідкі, газоподібні середовища складаються з окремих частинок, що взаємодіють силами зв'язку. Порушення коливань частинок даного середовища одному місці викликає вимушені коливання сусідніх частинок, ті, своєю чергою, збуджують коливання наступних тощо.

Існують поздовжні та поперечні хвилі.

Хвиля називається поздовжньою, якщо частинки середовища роблять коливання у напрямі поширення хвилі.

Поздовжню хвилю можна побачити на прикладі з м'якою довгою пружиною: стискаючи і відпускаючи один з її кінців (інший кінець закріплений), ми викличемо послідовний рух згущень і розріджень її витків.

Іншими словами, спостерігаємо, як від одного кінця до іншого йде обурення, викликане зміною сили пружності, швидкості руху або прискорення витків пружини, зсувом витків від лінії рівноваги. На даному прикладі ми бачимо хвилю, що біжить.

Хіля, що біжить - це хвиля, яка при переміщенні в просторі переносить енергію без перенесення речовини.

а) вихідний стан; б) стиск пружини; в) передача коливань від одного витка до іншого (згущення та розрядження витків).

У механіці вивчають звані пружні хвилі.

Середовище, частинки якого пов'язані між собою так, що зміна положення однієї з них веде до зміни положення інших частинок, називається пружною.

Хвиля називається поперечною, якщо частинки середовища роблять коливання в напрямку, перпендикулярному до поширення хвилі.

Якщо натягнути горизонтально гумовий шнур, один його кінець жорстко закріпити, а інший привести у вертикальний коливальний рух, то зможемо спостерігати поперечну хвилю.

Для експерименту змоделюємо ланцюжки з пружинок та кульок і на цій моделі проаналізуємо рух поздовжніх та поперечних хвиль.

У разі поздовжньої хвилі (а) кульки зміщуються вздовж, а пружинки або розтягуються, або стискуються, тобто виникає деформація стиснення або розтягування. Необхідно пам'ятати, що в рідкому та газовому середовищі подібної деформації супроводжує ущільнення середовища або його розрідження.

Якщо кульку змістити перпендикулярно ланцюжку (б), виникне так звана деформація зсуву. І тут побачимо рух поперечної хвилі. Слід запам'ятати, що у рідині та газоподібному середовищі неможлива деформація зсуву.

Тому має місце таке визначення.

Поздовжні механічні хвилі можуть поширюватися в будь-яких середовищах: рідких, газоподібних та твердих. Поперечні хвилі можуть існувати лише у твердих середовищах.

§ 2 Короткі підсумки на тему уроку

Поширення механічних хвиль можливе тільки в газовому, рідкому та твердому середовищах. Механічна хвиля не може виникнути у вакуумі.

Існують поздовжні та поперечні хвилі. Поздовжні механічні хвилі можуть поширюватися в будь-яких середовищах: рідких, газоподібних та твердих. Поперечні хвилі можуть існувати лише у твердих середовищах.

Список використаної литературы:

1. фізика. Великий енциклопедичний словник/Гол. ред. А. М. Прохоров. - 4-те вид. - М: Велика Російська енциклопедія, 1999. - С. 293-295.
2. Іродов І. Є. Механіка. Основні закони/І.Є. Іродів. – 5-те вид., испр.–М.: Лабораторія базових знань, 2000, З. 205–223.
3. Іродов І. Є. Механіка коливальних систем/І.Є. Іродів. – 3-тє вид., испр.–М.: Лабораторія базових знань, 2000, З. 311–320.
4. Перишкін А.В. фізика. 9 клас: підручник/А.В. Перишкін, Е.М. Гутник. - М.: Дрофа, 2014. - 319с. Збірник тестових завдань із фізики, 9 клас. /Е.А.Марон, А.Е.Марон. Видавництво "Освіта", Москва, 2007 рік.

Використані зображення:

Готові роботи

ДИПЛОМНІ РОБОТИ

Багато чого вже позаду і тепер ти – випускник, якщо, звісно, ​​вчасно напишеш дипломну роботу. Але життя - така штука, що тільки зараз тобі стає зрозуміло, що, переставши бути студентом, ти втратиш усі студентські радості, багато з яких, ти так і не скуштував, все відкладаючи та відкладаючи на потім. І тепер, замість того, щоб надолужувати втрачене, ти копишся над дипломною роботою? Є чудовий вихід: завантажити потрібну тобі дипломну роботу з нашого сайту - і в тебе миттю з'явиться багато вільного часу!
Дипломні роботи успішно захищені у провідних Університетах РК.
Вартість роботи від 20 000 тенге

КУРСОВІ РОБОТИ

Курсовий проект – це перша серйозна практична робота. Саме з написання курсової розпочинається підготовка до розробки дипломних проектів. Якщо студент навчитися правильно викладати зміст теми в курсовому проекті та грамотно його оформляти, то надалі у нього не виникне проблем ні з написанням звітів, ні зі складанням дипломних робіт, ні з виконанням інших практичних завдань. Щоб надати допомогу студентам у написанні цього типу студентської роботи і роз'яснити питання, що виникають під час її складання, власне кажучи, і був створений даний інформаційний розділ.
Вартість роботи від 2500 тенге

МАГІСТЕРСЬКІ ДИСЕРТАЦІЇ

В даний час у вищих навчальних закладах Казахстану та країн СНД дуже поширений ступінь вищої професійної освіти, який слідує після бакалаврату - магістратура. У магістратурі навчаються з метою отримання диплома магістра, який визнається в більшості країн світу більше, ніж диплом бакалавра, а також визнається зарубіжними роботодавцями. Підсумком навчання у магістратурі є захист магістерської дисертації.
Ми надамо Вам актуальний аналітичний та текстовий матеріал, у вартість включено 2 наукові статті та автореферат.
Вартість роботи від 35 000 тенге

ЗВІТИ З ПРАКТИКИ

Після проходження будь-якого типу студентської практики (навчальної, виробничої, переддипломної) потрібно скласти звіт. Цей документ буде підтвердженням практичної роботи студента та основою формування оцінки за практику. Зазвичай, щоб скласти звіт з практики, потрібно зібрати та проаналізувати інформацію про підприємстві, розглянути структуру та розпорядок роботи організації, в якій проходить практика, скласти календарний план та описати свою практичну діяльність.
Ми допоможемо написати звіт про проходження практики з урахуванням специфіки діяльності конкретного підприємства.

Представляємо вашій увазі відеоурок на тему «Розповсюдження коливань в пружному середовищі. Поздовжні та поперечні хвилі». На цьому уроці ми вивчатимемо питання, пов'язані з поширенням коливань у пружному середовищі. Ви дізнаєтеся, що таке хвиля, як вона з'являється, чим вона характеризується. Вивчимо властивості та відмінності поздовжніх та поперечних хвиль.

Ми переходимо до вивчення питань, пов'язаних із хвилями. Поговоримо про те, що таке хвиля, як вона виникає і чим характеризується. Виявляється, крім просто коливального процесу у вузькій області простору, можливе ще й поширення цих коливань у середовищі, саме таке поширення є хвильовий рух.

Перейдемо до обговорення цього розповсюдження. Щоб обговорити можливість існування коливань у середовищі, ми маємо визначитися з тим, що таке щільне середовище. Щільним середовищем називають таке середовище, що складається з великої кількості частинок, взаємодія яких дуже близька до пружного. Уявімо наступний уявний експеримент.

Рис. 1. Думковий експеримент

Помістимо в пружне середовище кулю. Куля стискатиметься, зменшуватиметься в розмірах, а потім розширюватиметься на кшталт биття серця. Що в цьому випадку спостерігатиметься? І тут частки, які прилягають впритул до цієї кулі, повторюватимуть його рух, тобто. видалятися, наближатися - тим самим будуть вагатися. Оскільки ці частинки взаємодіють з іншими більш віддаленими від кулі частинками, вони також будуть коливати, але з деяким запізненням. Частинки, які до цієї кулі прилягають впритул, роблять коливання. Вони будуть передаватися іншим часткам, більш далеким. Таким чином, коливання поширюватиметься в усіх напрямках. Зверніть увагу, що в даному випадку відбудеться поширення стану коливань. Таке поширення стану коливань ми називаємо хвилею. Можна сказати що процес поширення коливань в пружному середовищі з часом називається механічною хвилею.

Зверніть увагу: коли ми говоримо про процес виникнення таких коливань, треба говорити про те, що вони можливі лише якщо існує взаємодія між частинками. Іншими словами, хвиля може існувати тільки тоді, коли є зовнішня сила, що обурює, і сили, які протистоять дії сили обурення. У разі це сили пружності. Процес поширення у разі буде пов'язані з тим, яка щільність і сила взаємодії між частками цього середовища.

Зазначимо ще одну річ. Хвиля не переносить речовини. Адже частки роблять коливання біля положення рівноваги. Але водночас хвиля переносить енергію. Цей факт можна проілюструвати хвилями цунамі. Речовина не переноситься хвилею, але хвиля переносить таку енергію, яка завдає великих лих.

Поговоримо про типи хвиль. Існують два різновиди - хвилі поздовжні та поперечні. Що таке поздовжні хвилі? Ці хвилі можуть існувати у всіх середовищах. І приклад з пульсуючою кулею всередині щільного середовища - це якраз приклад утворення поздовжньої хвилі. Така хвиля є поширенням у просторі з часом. Ось це чергування ущільнення і розрядження і є поздовжньою хвилею. Ще раз повторюся, що така хвиля може існувати у всіх середовищах – рідких, твердих, газоподібних. Поздовжньою називається хвиля, при поширенні якої частинки середовища здійснюють коливання вздовж напряму поширення хвилі.

Рис. 2. Поздовжня хвиля

Щодо поперечної хвилі, то поперечна хвиляможе існувати лише у твердих тілах та на поверхні рідини. Поперечною називається хвиля, при поширенні якої частинки середовища здійснюють коливання перпендикулярно до напряму поширення хвилі.

Рис. 3. Поперечна хвиля

Швидкість поширення поздовжніх та поперечних хвиль різна, але це вже тема наступних уроків.

Список додаткової літератури:

А чи добре знайоме вам поняття хвиля? //Квант. - 1985. - №6. - С. 32-33. Фізика: Механіка. 10 кл.: Навч. для поглибленого вивчення фізики/М.М. Балашов, А.І. Гомонова, А.Б. Долицький та ін; За ред. Г.Я. М'якішева. - М: Дрофа, 2002. Елементарний підручник фізики. За ред. Г.С. Ландсберг. Т. 3. – М., 1974.

Нехай тіло, що вагається, знаходиться в середовищі, всі частинки якого пов'язані між собою. Частини середовища, що стикаються з ним, прийдуть у коливальний рух, внаслідок чого в прилеглих до цього тілу ділянках середовища виникають періодичні деформації (наприклад, стиск і розтяг). При деформаціях серед з'являються пружні сили, які прагнуть повернути частки середовища у початковий стан рівноваги.

Таким чином, періодичні деформації, які з'явилися в якомусь місці пружного середовища, поширюватимуться з деякою швидкістю, яка залежить від властивостей середовища. При цьому частки середовища не залучаються хвилею в поступальний рух, а здійснюють коливальні рухи біля своїх положень рівноваги, від одних ділянок середовища до інших передається пружна деформація.

Процес поширення коливального руху в середовищі називається хвильовим процесом чи просто хвилею. Іноді цю хвилю називають пружною, тому що вона обумовлена ​​пружними властивостями середовища.

Залежно від напрямку коливань частинок по відношенню до напряму поширення хвилі, розрізняють поздовжні та поперечні хвилі.Інтерактивна демонстрація поперечної та поздовжньої хвилі

Поздовжня хвиля – це хвиля, у якій частинки середовища коливаються вздовж напряму поширення хвилі.

Поздовжню хвилю можна спостерігати на довгій м'якій пружині великого діаметра. Вдаривши по одному з кінців пружини, можна помітити, як по пружині поширюватимуться послідовні згущення та розрідження її витків, що біжать один за одним. На малюнку крапками показано положення витків пружини у стані спокою, а потім положення витків пружини через послідовні проміжки часу, що дорівнює чверті періоду.

Поперечна хвиля - це хвиля, у якій частинки середовища коливаються у напрямах, перпендикулярних до напряму поширення хвилі.

Розглянемо докладніше процес утворення поперечних хвиль. Візьмемо як модель реального шнура ланцюжок кульок (матеріальних точок), пов'язаних один з одним пружними силами. На малюнку зображено процес поширення поперечної хвилі та показано положення кульок через послідовні проміжки часу, рівні чверті періоду.

У початковий момент часу (t 0 = 0)всі точки перебувають у стані рівноваги. Потім викликаємо обурення, відхиливши точку 1 від положення рівноваги на величину А і 1-я точка починає коливатися, 2-а точка, пружно пов'язана з 1-ї, приходить у коливальний рух трохи пізніше, 3-я - ще пізніше і т.д. . Через чверть періоду коливання ( t 2 = T 4 ) поширяться до 4-ї точки, 1-а точка встигне відхилитися від свого положення рівноваги на максимальну відстань, що дорівнює амплітуді коливань А. Через половину періоду 1-а точка, рухаючись вниз, повернеться в положення рівноваги, 4-а відхилилася від положення рівноваги на відстань, що дорівнює амплітуді коливань А, хвиля поширилася до 7-ї точки і т.д.

На момент часу t 5 = T 1-а точка, здійснивши повне коливання, проходить через положення рівноваги, а коливальний рух пошириться до 13 точки. Всі точки від 1-ї до 13-ї розташовані так, що утворюють повну хвилю, що складається з западиниі гребеня.

Демонстрація поширення поперечної хвилі

Вид хвилі залежить від виду деформації середовища. Поздовжні хвилі обумовлені деформацією стискування – розтягування, поперечні хвилі – деформацією зсуву. Тому в газах та рідинах, у яких пружні сили виникають тільки при стисканні, поширення поперечних хвиль неможливе. У твердих тілах пружні сили виникають і при стисканні (розтягуванні) і при зсуві, тому в них можливе поширення поздовжніх і поперечних хвиль.

Як показують малюнки, і в поперечній і поздовжній хвилях кожна точка середовища коливається біля свого положення рівноваги і зміщується від нього не більше ніж на амплітуду, а стан деформації середовища передається від однієї точки середовища до іншої. Важлива відмінність пружних хвиль серед від будь-якого іншого впорядкованого руху її частинок у тому, що поширення хвиль пов'язані з перенесенням речовини середовища.

Хвиляминазиваються всякі обурення стану речовини чи поля, що поширюються у просторі з часом.

Механічниминазиваються хвилі, що у пружних середовищах, тобто. у середовищах, у яких виникають сили, що перешкоджають:

1) деформації розтягування (стискування);

2) деформації зсуву.

У першому випадку виникає поздовжня хвиля, У якій коливання частинок середовища відбуваються у напрямі поширення коливань. Поздовжні хвилі можуть поширюватися на твердих, рідких і газоподібних тілах, т.к. вони пов'язані з виникненням пружних сил за зміни обсягу.

У другому випадку у просторі існує поперечна хвиля, в якій частинки середовища коливаються у напрямках, перпендикулярних до напряму поширення коливань. Поперечні хвилі можуть поширюватися лише твердих тілах, т.к. пов'язані з виникненням пружних сил за зміни формитіла.

Якщо якесь тіло здійснює коливання в пружному середовищі, воно впливає на частинки середовища, прилеглі до нього, і змушує їх здійснювати вимушені коливання. Середовище поблизу тіла, що коливається, деформується, і в ній виникають пружні сили, Ці сили діють на все більш віддалені від тіла частинки середовища, виводячи їх з положення рівноваги. З часом все більша кількість частинок середовища виявляється залученим до коливального руху.

Механічні хвильові явища мають значення для повсякденного життя. Наприклад, завдяки звуковим хвиль, обумовленим пружністю довкілля, ми можемо чути. Ці хвилі в газах або рідинах є коливаннями тиску, що поширюються в даному середовищі. Як приклади механічних хвиль можна навести також: 1) хвилі на поверхні води, де зв'язок суміжних ділянок поверхні води обумовлена ​​не пружністю, а силою тяжіння та силами поверхневого натягу; 2) вибухові хвилі від розривів снарядів; 3) сейсмічні хвилі - коливання в земній корі, що поширюються від місця землетрусу.

Відмінність пружних хвиль від будь-якого іншого впорядкованого руху частинок середовища полягає в тому, що поширення коливань не пов'язане з перенесенням речовини середовища з одного місця до іншого на великі відстані.

Геометричне місце точок, до яких доходять коливання до певного моменту часу, називається фронтомхвилі. Фронт хвилі являє собою ту поверхню, яка відокремлює частину простору, вже залучену до хвильового процесу, від області, в якій коливання ще не виникли.

Геометричне місце точок, що коливаються в однаковій фазі, називається хвильовою поверхнею. Хвильову поверхню можна провести через будь-яку точку простору, охопленого хвильовим процесом. Отже, хвильових поверхонь існує безліч, тоді як хвильовий фронт у кожний момент часу тільки один, він весь час переміщається. Форма фронту може бути різною залежно від форми та розмірів джерела коливань та властивостей середовища.

Що стосується однорідної та ізотропної середовища від точкового джерела поширюються сферичні хвилі, тобто. фронт хвилі у разі – сфера. Якщо джерело коливань – площину, поблизу неї будь-яка ділянка фронту хвилі мало відрізняється від частини площини, тому хвилі з таким фронтом називаються плоскими.

Припустимо, що за деякий ділянку фронту хвилі перемістився на . Величина

називається швидкістю поширення фронту хвилі або фазовою швидкістюхвилі у цьому місці.

Лінія, дотична до котрої у кожній точці збігається з напрямом хвилі у цій точці, тобто. з напрямом перенесення енергії, називається променем. У однорідному ізотропному середовищі промінь є прямою, перпендикулярною до фронту хвилі.

Коливання джерела можуть бути як гармонійними, так і негармонічними. Відповідно, від джерела тікають хвилі монохроматичніі немонохроматичні. Немонохроматична хвиля (яка містить коливання різних частот) може бути розкладена на монохроматичні (кожна з яких містить коливання однієї частоти). Монохроматична (синусоїдальна) хвиля є абстракцією: така хвиля повинна бути нескінченно протяжною в просторі і часі.