лекция_Механические волны. механические волны. Механические волны

• Название: Механические волны
• Анкор: лекция_Механические волны
• Дата: 08.02.2023
• Размер: 199 Kb.
• Имя файла: механические волны.docx
• Тип: Документы; #925687

ВОЛНЫ



Волны могут быть разной природы: механические, электромагнитные и т.д.
Мы будем рассматривать механические волны.

МЕХАНИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ

Волна - это колебания, распространяющиеся в пространстве в течение времени.
Механические волны могут распространяться только в какой-нибудь среде (веществе): в газе, в жидкости, в твердом теле. В вакууме механическая волна возникнуть не может.
Источником волн являются колеблющиеся тела, которые создают в окружающем пространстве деформацию среды.



Для возникновения волны нужна деформация (наличие Fупр) среды. Для распространения волны нужна упругая среда.

Бегущая волна - волна, где происходит перенос энергии без переноса вещества.
Бегущая упругая волна - волна, где есть перенос энергии и возникает F упругости в среде распространения.
Среди механических волн мы будем рассматривать бегущие упругие волны.

___

Механические волны делятся на:
а) продольные



- колебания среды происходят вдоль направления распространения волн,
при этом возникают области сжатия и разрежения среды.



- возникают в любой среде (жидкости, в газах, в тв. телах).

б) поперечные



-колебания среды происходят перпендикулярно направлению их распространения,
при этом происходит сдвиг слоев среды.
- возникают только в твердых телах.



ПРОСТОЙ ОПЫТ

"Стоячая волна".



В стеклянную трубку диаметром 4-5 см, длиной около 50 см, закрытую с одного конца, насыпьте мелко накрошенную пробку, так что бы она рассыпалась по трубке тонкой ленточкой, затем слегка поверните трубку по оси так, что бы крошка осталась на стенке, не сползая вниз, закрепите трубку горизонтально и к открытому концу поднесите звучащий камертон. Крошка осыплется, оставшись только в узлах стоячей волны.

ЭТО ИНТЕРЕСНО !



Волны на поверхности жидкости не являются ни продольными, ни поперечными. Если бросить на поверхность воды небольшой мяч, то можно увидеть, что он движется, покачиваясь на волнах, по круговой траектории. Таким образом, волна на поверхности жидкости представляет собой результат сложения продольного и поперечного движения частиц воды.

ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ ?

... что скорость продольных и поперечных волн в одном и том же вещества, как правило, неодинакова.



Познакомимся с величинами, которыми принято характеризовать волну. Физическая величина, равная отношению длины волны () к периоду колебаний ее частиц (T), называется скоростью волны.



Расстояние между двумя ближайшими частицами среды, находящимися в одинаковом состоянии, называется длиной волны. На левом чертеже за длину поперечной волны мы взяли расстояние между двумя ближайшими частицами, опустившимися ниже всего. За длину продольной волны мы взяли расстояние между ближайшими частицами, наиболее плотно окруженными соседями.

Колебания частиц среды, в которой распространяется волна, являются вынужденными. Поэтому их период равен периоду колебаний возбудителя волны. Однако скорость распространения волн в различных средах различна. Например, звуковая волна, переходящая из воды в воздух, уменьшает свою скорость в 4-5 раз. Поэтому длина этой волны ( =  T) в воздухе возрастает в такое же число раз.

§ 16-е. Звуковые волны

Волны на поверхности озера или хлебного поля можно увидеть глазами. Однако большинство механических волн невидимы, как, например, звуковые волны. Рассмотрим опыт.

Будильник, стоящий на небольшой подушечке, поместим под колокол воздушного насоса. Его "тиканье" станет тише, но все же будет вполне различимо. Откачав из-под колокола воздух, мы перестанем слышать тиканье вообще. Следовательно, звук тикающих часов мы слышим потому, что в воздухе могут возникать волны. Они и доносят до нас энергию "тиканья" часов.

Скорость звука в воздухе  330 м/с. В жидкостях звук распространяется быстрее. В твердых телах – еще быстрее. В стальном рельсе, например, звук распространяется со скоростью  5000 м/с.

Скорость распространения звуковых волн в разных средах неодинакова. Медленнее всего звук распространяется в газах. Именно поэтому гром сильно запаздывает после вспышки молнии. Если гроза от нас далеко, то раскат грома можно услышать даже спустя 10-20 секунд.

В § 15.2 мы узнали, что график колебаний маятника является достаточно простой линией, которая называется синусоидой. Графики же колебаний тел, испускающих звуки, гораздо сложнее.



Вы видите графики колебаний воздуха около рта человека, поющего звуки "А" и "О". Заметьте, что колебания воздуха (и голосовых связок человека) являются довольно сложными, состоящими как бы из нескольких колебаний, накладывающихся друг на друга.

Проделаем опыт, подтверждающий, что источниками звука действительно являются колеблющиеся тела. Воспользуемся физическим прибором камертон. Он представляет собой металлическую "рогатку", укрепленную на ящичке, у которого нет одной стенки. Если специальным резиновым молоточком ударить по "ножкам" камертона, то он будет издавать звук, называемый музыкальным тоном.

Медленно придвинем звучащий камертон к теннисному шарику, висящему на нити. Как только они соприкоснутся, шарик сразу же, будто от сильного толчка, отскочит в сторону. Так происходит именно из-за частых колебаний ножек камертона.

Акустический резонанс. Название этого явления происходит от латинского слова "резоно" – откликаюсь. Познакомимся с ним на опыте. Расположим два камертона рядом, повернув их друг к другу теми сторонами ящичков, где нет стенок. Ударим один из камертонов молоточком. Через 5-10 секунд заглушим его рукой. Удивительно, но теперь будет звучать второй камертон, который мы не ударяли молоточком!

Объяснение этого опыта следующее. Ударив левый камертон, мы передали ему некоторое количество механической энергии. В результате камертон начал звучать, то есть излучать энергию в окружающее пространство в виде звуковых волн. Наиболее интенсивно они излучаются через открытую сторону ящичка-подставки. Попадая внутрь такого же ящичка-подставки второго камертона, волны возбуждают в ней (и ножках камертона) вынужденные колебания той же частоты. Через 5-10 секунд звуковые волны перенесут достаточное количество энергии, чтобы звук правого камертона стал достаточно громким. Однако он все же тише звука первого камертона, поэтому его и нужно заглушить, например, ладонью.

§ 16-ж. Свойства механических волн

Отражение волн. Изучим это явление на примере звуковых волн. Проделаем опыт. Присоединим громкоговоритель (динамик) к генератору звуковой частоты. Мы услышим жужаще-свистящий звук. Направим динамик так, как показано на рисунке. Рядом с громкоговорителем поставим микрофон, присоединенный к осциллографу. Он отметит, что микрофон воспринимает слабый звук.



Расположим теперь над громкоговорителем лист фанеры. Осциллограф сразу же покажет, что звук, доходящий до микрофона, стал заметно громче. Из опыта следует вывод, что звуковые волны способны отражаться от границы раздела воздуха и древесины.

Опыты с другими механическими волнами позволяют сформулировать обобщение: механические волны любого происхождения обладают способностью отражаться от границы раздела двух сред.

Преломление волн. При распространении механических волн можно наблюдать и явление преломления. Рассмотрим, например, морские волны, набегающие на прибрежную мель. Взгляните на рисунок. Серо-желтым цветом изображен песчаный берег, а голубым – глубокая часть моря. Между ними – песчаная мель.

Волны, бегущие по глубокой воде, распространяются в направлении красной стрелки. В месте набегания на мель волна преломляется: изменяет направление распространения. Поэтому синяя стрелка, указывающая новое направление распространения волны, расположена уже иначе.

Дифракция волн. Познакомимся с еще одним интересным физическим явлением, присущим только волнам. Оно называется дифракцией (лат. "дифрактус" – преломленный). Понаблюдаем за волнами на поверхности моря. Взгляните на рисунок:

Волны, бегущие к нам по морской глади, заслоняются большим камнем (слева). Но камень поменьше (справа) уже не является преградой для волн: они легко его огибают. Отклонение волн от прямолинейного распространения, то есть огибание ими препятствий, называется явлением дифракции.

Дифракция наиболее отчетливо проявляется, если длина набегающей волны больше размеров препятствия. Позади него волна распространяется так, как будто препятствия не было вовсе.

Интерференция волн. До сих пор мы рассматривали явления, связанные с распространением одной волны: отражение, преломление и дифракцию. Рассмотрим теперь взаимовлияние двух волн – явление интерференции (лат. "интер" – взаимно, "ферио" – ударяю).

Изучим это явление на опыте. К звуковому генератору присоединим два громкоговорителя, соединенные параллельно. Приемником звука будет микрофон, подключенный к осциллографу.

Начнем передвигать микрофон вправо, удаляя его от динамиков. Осциллограф покажет, что звук становится то слабее, то вновь усиливается. Вернем микрофон на среднюю линию между динамиками, а затем будем двигать его влево, опять-таки удаляя от динамиков. Мы снова обнаружим то ослабление, то усиление звука. Итак, в пространстве, где распространяются несколько волн, их интерференция приводит к возникновению областей с минимальным и максимальным значениями амплитуды колебаний.