конспект урока. Урок 46 Саба жоспары План урока Сабаты таырыбы Тема урока
 Скачать 0.71 Mb.
|
|
46 № Сабақ / Урок № 46 Сабақ жоспары / План урока Сабақтың тақырыбы / Тема урока Упругие механические волны. Уравнение бегущей и стоячей волны. распространение механических волн. Интерференция механических волн, принцип Гюйгенса. Дифракция механических волн. Волны Как Вы уже знаете, волна есть не что иное, как распространяющиеся в пространстве колебания, и если эти колебания совершаются с определенным периодом, то и волна является периодической. Рассмотрим основные понятия волновых процессов на примере механических волн распространяющихся в упругой среде Круги, которые образуются при бросании камешков на спокойной до этого поверхности воды, возникнув в одном месте, сразу же начинают распространяться от него во все стороны. Возмущения, распространяющиеся в пространстве с течением времени, называются волнами. Волны бывают механические и электромагнитные. Электромагнитные волны, представляющие собой распространяющиеся возмущения электромагнитного поля, будут рассмотрены в курсе электродинамики. Здесь же мы ограничимся изучением лишь механических волн. К механическим волнам относят упругие волны и волны на поверхности жидкости. ВОЛНА ЯВЛЯЕТСЯ ПЕРЕНОСЧИКОМ ЭНЕРГИИ Упругие волны — это волны распространяющиеся возмущения упругой среды. Необходимым условием возникновения волны является появление в момент возникновения возмущения препятствующих ему сил, например сил упругости. В любом случае механизм образования волны выглядит следующим образом. Колеблющееся в упругой среде тело (источник волны) воздействует на прилегающие к нему частицы среды и заставляет их совершать вынужденные колебания. Среда вблизи колеблющегося тела деформируется, и в ней возникают силы, препятствующие ее деформации. В упругих волнах это силы упругости. Стремясь сблизить соседние частицы среды, если они расходятся, или, наоборот, растолкнуть их, когда они сближаются, эти силы действуют на все более удаленные от тела частицы среды, выводя их из положения равновесия. Постепенно все частицы, одна за другой, вовлекаются в колебательное движение, распространение которого и представляется в виде волны. В любой механической волне одновременно существуют два вида движения: колебания частиц среды и распространение возмущения. Волна, в которой колебания частиц среды и распространение возмущения происходят в одном направлении, называется продольной (звуковые волны)(Рисунок 1 , а–г).  Рисунок 1 – Продольная волна А волна, в которой частицы среды колеблются перпендикулярно направлению распространения возмущения, называется поперечной (упругие волны в струне) (Рисунок 2 а, б).  Рисунок 2 – Поперечная волна В продольной волне возмущения представляют собой сжатия (или разрежения) среды, а в поперечной - смещения (сдвиги) одних слоев среды относительно других. Но деформация сжатия всегда сопровождается возникновением сил упругости, в то время как деформация сдвига приводит к появлению сил упругости только в твердых телах; сдвиг слоев в газах и жидкостях возникновением сил упругости не сопровождается. Поэтому продольные волны могут распространяться во всех средах (и в жидких, и в твердых, и в газообразных), а поперечные - только в твердых. Заметим, что волны на поверхности воды (или любой другой жидкости) не являются ни продольными, ни поперечными. Они имеют сложный продольно-поперечный характер, при котором частицы жидкости движутся по окружностям. В этом легко может убедиться каждый, понаблюдавший за перемещениями на воде, брошенной в реку легкой щепки. Но это еще не все. Круговые движения частиц на поверхности воды сопровождаются их медленным перемещением в направлении распространения волны. Именно этим объясняются все те дары моря, которые можно обнаружить на берегу. При распространении любой волны происходит передача движения и деформации от одних участков среды к другим. А этому, в свою очередь, соответствует передача энергии - кинетической энергии движения и потенциальной энергии упругой деформации. Каждая волна распространяется с некоторой скоростью. Под скоростью волны понимают скорость распространения возмущения:  Например, удар по концу стального стержня вызывает на этом конце местное сжатие, которое распространяется затем вдоль стержня со скоростью около 5 км/с. Скорость волны определяется свойствами среды, в которой эта волна распространяется. При переходе из одной среды в другую частота колебаний не изменяется. В твердых телах скорость продольных волн больше скорости поперечных. Это обстоятельство учитывается для определения местоположения очагов землетрясения. Землетрясения являются источниками так называемых сейсмических волн, распространяющихся в земной коре в виде как продольных, так и поперечных волн. Первыми на регистрирующую станцию приходят продольные волны, затем поперечные. Зная скорости продольных и поперечных волн в земной коре и время запаздывания поперечной волны, можно определить расстояние до очага землетрясения. Основной характеристикой волны являетсядлина волны(Рисунок. 3).  Рисунок 3 – График волны Расстояние между двумя ближайшими друг к другу точками, колеблющимися в одинаковых фазах, называется длиной волны. Связь между длиной волны λ, скоростью волны v и периодом T (частотой ν) колебаний выражается законом:  Необходимо отметить, что частота колебаний определяется частотой колебаний источника, а скорость зависит от свойств среды. Частота колебаний в волне совпадает с частотой колебаний источника (так как колебания частиц среды являются вынужденными) и не зависит от свойств среды, в которой распространяется волна. При переходе волны из одной среды в другую ее частота не изменяется, меняются лишь скорость и длина волны. Явление интерференции. Интерференция Принцип суперпозиции. Наблюдения за распространением волн на поверхности воды показывают, что волны от двух или более источников проходят одна через другую, не влияя друг на друга. Не влияют друг на друга и звуковые волны. Когда оркестр играет, то звуки от скрипки не мешают распространяться звукам от трубы и барабана, звуки от каждого инструмента оркестра приходят к нам точно такими же, как от одного отдельно звучащего инструмента. Итак, распространение волн от одного источника не оказывает никакого влияния на распространение, какого угодно числа волн от любых других источников. Принцип суперпозиции гласит: в каждой точке, которой достигают волны от разных источников, амплитуда колебаний, вызванных действием нескольких волн, в любой момент времени равна векторной сумме амплитуд каждой волны в отдельности. Интерференция волн. Если в волновой ванне на одном вибраторе укрепить два стержня, то они служат двумя точечными источниками волн с одинаковой частотой колебаний. Сложение этих волн приводит к появлению особой картины: на водной поверхности видны области, где колебания не происходят, и области с интенсивными колебаниями. Создается впечатление, что в некоторых местах волны от других источников при встрече как бы гасят друг друга, в других – усиливают (Рисунок 4).  Рисунок 4 – Явление интерференции волн Подобное явление можно обнаружить и в опытах со звуковыми волнами. Установим два громкоговорителя и подключим их к выходу одного звукового генератора. При перемещениях на небольшие расстояния в классной комнате можно обнаружить на слух, что в одних точках пространства звучание громкое, а в других – тихое. Опять результат таков, как будто звуковые волны от двух источников в одних точках пространства усиливают, а в других ослабляют друг друга. Явление увеличения или уменьшения амплитуды результирующей волны при сложении двух или нескольких волн с одинаковыми частотами (периодами) колебаний называется интерференцией волн. При интерференции амплитуда результирующих колебаний в разных точках пространства имеет различные значения, а расположение в пространстве максимумов и минимумов с течением времени не изменяется. Явление интерференции волн не противоречит принципу суперпозиции. В точках с нулевой амплитудой колебаний две встречные волны не гасят друг друга, обе они без изменений распространяются далее. Точно так же в точках с максимумами амплитуды волны не усиливают друг друга, после встречи волны распространяются независимо. Меняется лишь суммарная амплитуда в месте встречи этих волн. Явление дифракции Волны способны огибать края препятствий. Когда размеры препятствий малы, волны огибая края препятствий, смыкаются за ними. Так, морские волны свободно огибают выступающие из воды камни (Рисунок 5), если его размеры меньше длины волны или сравнимы с ней.  Рисунок 5 – Наблюдение дифракции волн За камнем волны распространяются так, как если бы его не было совсем (маленькие камни). Точно так же волны от брошенного в пруд камня огибает торчащий из воды прутик. Только за препятствием большого по сравнению с длиной волны размера образуется «тень»: волны за него не проникают. Способностью огибать препятствия обладают и звуковые волны. Вы можете услышать сигнал машины за углом дома, когда самой машины не видно, или если крикнуть в лесу, то звуковые волны будут огибать, в отличие от света, стволы деревьев. Дифракция световых волн – это явление отклонения от прямолинейного распространения волн, т.е. огибание волнами препятствий сравнимых с длинной волны. Дифракция присуща любому волновому процессу в той же мере, как и интерференция. При дифракции происходит искривление волновых поверхностей у краев препятствий. Дифракция волн проявляется особенно отчетливо в случаях, когда размеры препятствий меньше длины волны или сравнимы с ней. Явление дифракции волн на поверхности воды можно наблюдать, если поставить на пути волн экран с узкой щелью, размеры которой меньше длины волны (Рисунок 6, а). Хорошо будет видно, что за экраном распространяется круговая волна, как если бы в отверстии экрана располагалось колеблющееся тело – источник волн. Если размеры щели велики по сравнению с длинной волны, то картина распространения волн за экраном совершенно иная (Рисунок 6, б). Волна проходит сквозь щель, почти не меняя своей формы.  Рисунок 6 - Явление дифракции волн на поверхности воды Стоячие волны Образуется в результате интерференции двух волн, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях, при этом их частоты, амплитуды и направления колебаний должны быть одинаковыми. Пример образуется в шнуре, закрепленном одним концом, когда другому сообщаются периодические колебания (Рисунок 7); в столбе газа, находящимся в трубе, струнах музыкальных инструментов. СТОЯЧАЯ ВОЛНА НЕ ПЕРЕНОСИТ ЭНЕРГИЮ  Рисунок 7 – Стоячая волна в шнуре, закрепленном одним концом Природа звука Упругие волны, распространяясь в воздухе, а также внутри жидкостей и твердых тел, невидимы. Однако при определенных условиях их можно услышать. Обратимся к опыту. Зажмем в тисках длинную стальную линейку. Если над тисками будет выступать большая часть линейки (Рисунок 8 а), то, вызвав ее колебания, мы не услышим порождаемые ею волны. Но если укоротить выступающую часть линейки и тем самым увеличить частоту ее колебаний, то мы обнаружим, что линейка начнет звучать (Рисунок 8, б).  а б Рисунок 8 -Опыт с линейкой Упругие волны, способные вызывать у человека слуховые ощущения, называются звуковыми волнами или просто звуком.Любое тело, колеблющееся со звуковой частотой, является источником звука, так как в окружающей его среде возникают распространяющиеся от него звуковые волны. Акустика Акустика - одна из самых древних областей знания. Она возникла за несколько веков до н. э. как учение о звуке, т.е. об упругих волнах воспринимаемых человеческим ухом (отсюда и происхождение названия от греч. akustikos - слуховой). АКУСТИКА- раздел физики, изучающий звуковые явления.  Звук Звуковыми волнами или просто звуком принято называть волны, воспринимаемые человеческим ухом.  Диапазон звуковых частот лежит в пределах приблизительно от 20 Гц до 20 кГц. Человеческое ухо является совершенным созданием Природы, способным воспринимать звуки в огромном диапазоне интенсивностей: от слабого писка комара до грохота вулкана. Волны с частотой менее 20 Гц называются инфразвуком. Специальные опыты показали, что облучение людей достаточно интенсивным инфразвуком может вызвать потерю чувства равновесия, тошноту, непроизвольные вращения глазных яблок и т. д. Например, на частоте 4—8 Гц человек ощущает перемещение внутренних органов, а на частоте 12 Гц — приступ морской болезни. Инфразвук не воспринимается человеческим ухом, однако его способны слышать некоторые животные. Например, медузы уверенно воспринимают инфразвуковые волны с частотой 8—13 Гц, возникающие при шторме в результате взаимодействия потоков воздуха с гребнями морских волн. Достигая медуз, эти волны заранее (за 15 часов!) «предупреждают» их о приближающемся шторме. Источниками инфразвука могут служить грозовые разряды, орудийные выстрелы, извержения вулканов, взрывы атомных бомб, землетрясения, работающие двигатели реактивных самолетов, ветер, обтекающий гребни морских волн, и т. д. Для инфразвука характерно малое поглощение в различных средах, вследствие чего он может распространяться на очень большие расстояния. Это позволяет определять места сильных взрывов, положение стреляющего орудия, осуществлять контроль за подземными ядерными взрывами, предсказывать цунами и т. д. Волны с частотой более 20 кГц называются ультразвуком. Ультразвуки с частотами 109 Гц и выше называются также гиперзвуками. Они генерируются механическими и электромеханическими излучателями. Ультразвук тоже не воспринимается человеческим ухом. Однако его способны излучать и воспринимать некоторые животные (летучие мыши, отдельные виды ночных бабочек и жуков, зубчатые киты). Установлено также, что ультразвуковые волны с частотой более 25 кГц вызывают болезненные ощущения у птиц. Это используется, например, для отпугивания чаек от водоемов с питьевой водой. Ультразвук находит широкое применение в науке и технике, где его получают с помощью различных механических (например, сирена) и электромеханических устройств. Источники ультразвука устанавливают на кораблях и подводных лодках. Посылая короткие импульсы ультразвуковых волн, можно уловить их отражения от дна или каких-либо других предметов. По времени запаздывания отраженной волны можно судить о расстоянии до препятствия. Использующиеся при этом эхолоты и гидролокаторы, позволяют измерять глубину моря, решать различные навигационные задачи (плавание вблизи скал, рифов и т. д.), осуществлять рыбопромысловую разведку (обнаруживать косяки рыб), а также решать военные задачи (поиски подводных лодок противника, бесперископные торпедные атаки и др.). В промышленности по отражению ультразвука от трещин в металлических отливках судят о дефектах в изделиях. Ультразвуки дробят жидкие и твердые вещества, образуя различные эмульсии и суспензии. С помощью ультразвука удается осуществить пайку алюминиевых изделий, что с помощью других методов сделать не удается (так как на поверхности алюминия всегда имеется плотный слой оксидной пленки). Наконечник ультразвукового паяльника не только нагревается, но и совершает колебания с частотой около 20 кГц, благодаря чему оксидная пленка на алюминии разрушается. Преобразование ультразвука в электрические колебания, а их затем в свет позволяет осуществить звуковидение. При помощи звуковидения можно видеть предметы в непрозрачной для света воде. В медицине при помощи ультразвука осуществляют сварку сломанных костей, обнаруживают опухоли, осуществляют диагностические исследования в акушерстве и т. д. Биологическое действие ультразвука (приводящее к гибели микробов) позволяет использовать его для стерилизации молока, лекарственных веществ, а также медицинских инструментов. Скорость звука Волны звукового диапазона могут распространяться не только в газе, но и в жидкости (продольные волны) и в твердом теле (продольные и поперечные волны). Однако волны в газообразной среде – среде нашего обитания – представляют особый интерес.  КАМЕРТОН- источник звука, испускающий единственную ноту или частоту. Существуют как естественные, так и искусственные источники звука. Один из искусственных источников звука. При настройке музыкальных инструментов часто используется камертоном. Он состоит из деревянного акустического резонатора и скрепленной с ним металлической вилки, настроенных в резонанс. При ударе молоточком по вилке вся система возбуждается и издает чистый музыкальный тон — камертон — изображен на Рисунке 9. Он был изобретен в 1711 г. английским музыкантом Дж. Шором для настройки музыкальных инструментов. Стандартная частота колебаний камертона 440 Гц. Это означает, что за 1 с его ветви успевают совершить 440 колебаний. На глаз они незаметны. Если, однако, прикоснуться к звучащему камертону рукой, то можно почувствовать его вибрацию. Для усиления звука, создаваемого камертоном, его держатель укрепляют на деревянном ящике, открытом с одной стороны (см. рис. 3, б). Этот ящик называют резонатором. При колебаниях камертона вибрация ящика передается находящемуся в нем воздуху. Из-за резонанса, возникающего при правильно подобранных размерах ящика, амплитуда вынужденных колебаний воздуха возрастает, и звук усиливается. Его усилению способствует и увеличение площади излучающей поверхности, которое имеет место при соединении камертона с ящиком. Акустическим резонатором является и гортань певца.  а б Рисунок 9 - Камертон Нечто подобное происходит и в таких музыкальных инструментах, как гитара, скрипка и т. д. Сами по себе струны этих инструментов создают слабый звук. Громким он становится благодаря наличию у них корпуса определенной формы с отверстием, через которое могут выходить звуковые волны. Сила, громкость, высота тона, тембр Слуховые ощущения, которые у нас вызывают различные звуки, во многом зависят от амплитуды звуковой волны и ее частоты. Амплитуда и частота являются физическими характеристиками звуковой волны. Этим физическим характеристикам соответствуют определенные физиологические характеристики, связанные с нашим восприятием звука. Такими физиологическими характеристиками являются громкость и высота звука. ВЫСОТА ЗВУКА (ТОН) определяется его частотой (ν) чем больше частота, тем выше звук (свист) чем меньше частота, тем ниже звук (звук барабана) Так, например, диапазон наиболее низкого мужского голоса – баса – простирается приблизительно от 80 до 400 Гц, а диапазон высокого женского голоса – сопрано – от 250 до 1050 Гц. Диапазон звуковых колебаний, соответствующий изменению частоты колебаний в два раза, называется октавой. Голос скрипки, например, перекрывает приблизительно три с половиной октавы (196–2340 Гц), а звуки пианино – семь с лишним октав (27,5–4186 Гц). ТЕМБР Музыкальные звуки с одним и тем же основным тоном различаются тембром, который определяется наличием обертонов – их частотами и амплитудами, характером нарастания амплитуд в начале звучания и их спадом в конце звучания. ГРОМКОСТЬ ЗВУКА – определяется его амплитудой (А), зависящей от потока энергии или интенсивности звуковой волны, единица громкости 1 дБ (децибел) порог слышимости – наименьшая интенсивность звука, воспринимаемая человеческим ухом(1кГц) шорох листьев -10 дБ шёпот- 20 дБ уличный шум-70 дБ 130 дБ - ощущается кожей и приводит к болевым ощущениям (порог осязания)
Увеличение длительности звука, вызванное его отражениями от различных препятствий, называется реверберацией. Реверберация велика в пустых помещениях, где она приводит к гулкости. И наоборот, помещения с мягкой обивкой стен, драпировками, шторами, мягкой мебелью, коврами, а также наполненные людьми хорошо поглощают звук, и потому реверберация в них незначительна. ЭХО Отражением звука объясняется и эхо. Эхо — это звуковые волны, отраженные от какого-либо препятствия (зданий, холмов, леса и т. п.) и возвратившиеся к своему источнику. Если до нас доходят звуковые волны, последовательно отразившиеся от нескольких препятствий и разделенные интервалом времени t > 50—60 мс, то возникает многократное эхо. Некоторые из таких эхо приобрели всемирную известность. Так, например, скалы, раскинутые в форме круга возле Адерсбаха в Чехии, в определенном месте троекратно повторяют 7 слогов, а в замке Вудсток в Англии эхо отчетливо повторяет 17 слогов! Эхо, как явление отражение звука от препятствий. Применяется в звуколокации:  ЭХОЛОТ (от эхо и лот), навигационный прибор для автоматического измерения глубины водоёмов с помощью гидроакустических эхо-сигналов. Обычно в днище судна устанавливается вибратор, к которому периодически подаются от генератора электрические импульсы, преобразуемые им в акустические. Отражённый дном акустический импульс принимается, после усиления импульс поступает на индикатор глубины, отмечающий отрезок времени (в сек) от момента посылки импульса до момента возвращения эхо от дна и преобразующий его в визуальные показания или запись глубины. Эхолот используются также для поиска косяков рыбы, подводных лодок, для исследования звукорассеивающих слоев, определения типа грунта, стратификации донных осадков и других гидроакустических измерений (Рисунок 10). В 1958 г. на советском судне “Витязь” эхолотом обнаружена и точно измерена максимальная глубина (11 022 м) Мирового океана в Мариинской впадине в западной части Тихого океана. К идее эхолота независимо и практически одновременно пришли сразу несколько человек: немецкий инженер А.Бем из Данцига (Гданьска), американский инженер Р. А. Фессен-ден, французский физик П. Ланжевен и инженер Константин Васильевич Шиловский (1880-1952) из Рязани, работавший во Франции. Ланжевен и Шиловский создали ещё и первый гидролокатор.
Домашнее задание: 1. Прочесть Учебник «Физика 11 класс. 1 часть» с. 95-114 2. Составить опорный конспект из материала 46.docx 3. Выполнить задание к уроку 46: Упр11(1,6,7) 4. Задачи сфотографировать поместить в ворд и прикрепить на портал Скачано с www.znanio.ru | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
