конспекты по физикке. 15. 1 Упругие волны

• Название: 15. 1 Упругие волны
• Анкор: конспекты по физикке
• Дата: 22.01.2023
• Размер: 0.98 Mb.
• Имя файла: FIZIKA.docx
• Тип: Документы; #898940
• страница: 1 из 5

15.1 Упругие волны

Упругие волны в диапазоне с частотами от 16 Гц до 20 кГц называют звуком.

Волны с частотами меньше 20 Гц называют инфразвуком, а с частотами более 20 кГц — ультразвуком.

В системе частиц, связанных друг с другом упругими силами, распространяется возмущение, сопровождающееся передачей энергии от предыдущей частицы к последующей. При этом частота вынужденных колебаний у всех частиц одинакова и совпадает с частотой периодически действующей силы.

Распространяющееся в веществе возмущение, сопровождающееся передачей энергии, называют упругой волной или звуком.

Волну, направление колебаний в которой перпендикулярно направлению распространения, называют поперечной



На поверхности жидкости под действием колеблющегося тела возникают волны, вызванные не упругостью среды, а силой тяжести. Особенностью данных волн является то, что частицы жидкости колеблются в вертикальной плоскости, а волна распространяется в горизонтальной.



В твердых телах возможны как продольные, так и поперечные волны. Продольная волна возникает в результате деформации сжатия или разрежения, так же как в газах и жидкостях. Поперечная волна возникает в результате деформации сдвига.

15.2 Характеристики волн

Фронтом волны называют множество точек, колеблющихся в одинаковых фазах.

У сферических волн фронтом волны являются сферы.

Лучом называют линию, касательная к которой в каждой точке совпадает с направлением распространения волны

Луч и фронт волны — объекты не физические, а геометрические.

Длиной волны называют расстояние между двумя ближайшими точками, колеблющимися в одинаковых фазах, или со сдвигом фаз, равным 2тг. 

Под скоростью волны понимают скорость перемещения ее фронта.



Если источник волны движется с некоторой скоростью в одну или другую по отношению к наблюдателю сторону, то сама длина волны при удалении источника увеличивается, а при приближении — уменьшается.

В настоящее время имеется много методов измерения скоростей упругих волн в различных средах. Все они показывают, что в каждой данной среде скорость волны — величина постоянная

15.3 Электромагнитные волны

Произвольные возмущения электромагнитного поля распространяются в вакууме или в веществе с конечной скоростью и, при этом от одной точки поля к другой передается энергия. Такое распространяющееся в пространстве и сопровождающееся передачей энергии электромагнитное возмущение называют электромагнитной волной.

Причиной, порождающей электромагнитную волну, является ускоренное движение электрического заряда. Поэтому источником электромагнитных волн может служить любой колеблющийся электрический заряд, так как колебания заряда происходят с ускорением.

Из теории Максвелла следует, что электромагнитная волна является носителем энергии, причем перенос энергии совершается направленно, в сторону распространения волны.

мощность электромагнитного возмущения, излучаемого открытым колебательным контуром, пропорциональна четвертой степени частоты колебаний заряда 

Максвелл показал, что скорость электромагнитных волн в диэлектриках выражается через диэлектрическую е и магнитную ц проницаемости вещества:



Максвелл пришел к выводу, что свет — это электромагнитная волна.

15.4 Энергетические характеристики электромагнитной волны

Электромагнитная волна, как любое переменное электромагнитное поле, переносит энергию от источника колебаний к приемнику.

Плотность энергии волны выражается той же формулой, что и плотность энергии поля.

Для характеристики волны вводят понятия потока излучения и поверхностной плотности потока излучения.

Поток излучения представляет собой среднюю мощность излучения за время, значительно большее периода колебаний волны

Единицей потока излучения является ватт (1 Вт = 1 ^). С

Поверхностной плотностью потока излучения называют отношение потока излучения к площади поверхности, через которую проходит этот поток 



Единицей поверхностной плотности потока излучения является ватт на квадратный метр (Вт/м²) — это поверхностная плотность такого потока излучения, при котором электромагнитная волна переносит через 1 м² поток излучения 1 Вт.

Средняя плотность энергии электромагнитного поля в вакууме в любой момент времени равна:



Средняя плотность энергии электромагнитной волны прямо пропорциональна квадрату напряженности электрического поля в любой момент времени

15.5 Физические основы радиопередачи и радиоприема

Электромагнитные волны, как мы выяснили, возникают при колебаниях заряда. Вначале в радиотехнике для получения высокочастотных колебаний использовали высокочастотный искровой разряд.

Полный переворот в радиотехнике совершила электронная лампа — триод — и ее модификации — многосеточные электронные лампы. С их помощью удалось создать схемы для генерации незатухающих электромагнитных колебаний, их усиления, модуляции и детектирования.

Основой современного радиопередатчика является генератор незатухающих колебаний (задающий генератор), собранный на транзисторах

Эти волны поступают в антенну приемника (рис. 15.10, в) и вызывают колебания в контуре РК. Слабые колебания высокой частоты поступают в усилитель, затем в детектор.



15.6 Усилитель

Так как радиоприемник удален от передатчика часто на весьма значительные расстояния, то в его антенну поступает лишь ничтожная доля энергии, излучаемой передатчиком. Возникает проблема усиления мощности слабых колебаний. Она решается с помощью усилителей, собранных на транзисторах.



15.7 Основы радиоастрономии. Космическая радиосвязь

Естественными источниками радиоизлучения являются многие небесные тела. Это излучение исследуют с помощью радиотелескопов

Для приема миллиметровых и сантиметровых радиоволн используют параболические радиотелескопы 



Встречаются радиотелескопы, выполненные в виде плоской рамы с укрепленными на ней многочисленными стержнями-диполями 



Постоянная составляющая обусловлена тормозным излучением тепловых электронов вне активных областей Солнца. 

Переменная составляющая связана с активными областями Солнца, где наблюдаются пятна и вспышки. Ее называют радиоизлучением возмущенного Солнца 

В радиодиапазоне были открыты квазары — квазизвездные источники радиоизлучения, удаленные от Солнечной системы на расстояния в несколько тысяч мегапарсек и излучающие суммарную энергию в сотни раз больше, чем галактики.

Пульсары — пульсирующие источники радиоизлучения, посылающие на Землю повторяющиеся радиоимпульсы с высокой точностью от долей секунды до секунд. По современным представлениям, пульсары — это быстровращающиеся нейтронные звезды.

Если раньше астрономические наблюдения велись только в узком диапазоне волн видимого света, то сейчас астрономия стала всеволновой, охватывая весь диапазон электромагнитного излучения 

Задачи:

15.3 Скорость света  в среде уменьшается в величину. равную показателю преломления
 

16.1 Природа света. Шкала электромагнитных волн

Первые систематические теории света предложили практически одновременно И. Ньютон и X. Гюйгенс.

Согласно Гюйгенсу, свет — это упругие волны, распространяющиеся наподобие волн на поверхности воды. 



свет — это электромагнитные волны в диапазоне примерно от 780 до 400 нм

Трудами Максвелла был заложен фундамент современных представлений о природе света, а само учение о свете — оптика — оказалось разделом электромагнетизма.

 В начале XX в. было обнаружено, что свет обладает квантовыми свойствами; он состоит из отдельных порций — квантов, или фотонов, причем в некоторых отношениях фотоны ведут себя как частицы.

Радиоволны охватывают диапазон от 1 • 10⁶ до 10 мкм; здесь выделяют область длинных волн — более 1 км, средних — от 1 км до 100 м, коротких — от 100 до Юм, ультракоротких — менее 10 м.



Видимый свет — это электромагнитные волны, лежащие в диапазоне длин волн от = 780 нм (красный свет) до А,_ф = 400 нм 

16.2 Законы преломления и отражения волн

Принцип Гюйгенса

1. Опыты показывают, что в каждой среде волна распространяется с определенной, постоянной для данной среды скоростью. Эта скорость зависит также и от частоты самой волны. 

Для электромагнитных волн, а также для света вводят абсолютный показатель преломления вещества, равный отношению скорости света в вакууме к скорости и света в данном веществе:



При переходе волны из одной среды в другую частота колебаний не изменяется, поскольку частота вынужденных колебаний равна частоте вынуждающей силы

Если длина некоторой электромагнитной волны в вакууме равна . с

А,₍₎ = — , то длина этой волны в веществе выразится так: v



Из двух сред, в которых свет распространяется с разными скоростями, будем называть оптически более плотной ту среду, в которой скорость света меньше, а показатель преломления соответственно больше.

Если волна попадает на границу раздела двух сред так, что падающий луч составляет с перпендикуляром к границе некоторый угол — угол падения, то, как показывает опыт, при этом образуются две волны: преломленная и отраженная. Преломленный луч составляет с перпендикуляром к границе угол преломления, а отраженный — угол отражения.

все три луча — падающий, преломленный и отраженный — лежат в одной плоскости с перпендикуляром, восставленным из точки падения луча к границе раздела обеих сред; угол отражения равен углу падения; отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равно относительному показателю преломления {закон преломления волн):



Закон преломления может быть записан в более удобном для употребления виде



Каждая точка, до которой доходит возмущение от источника, сама становится источником распространяющихся элементарных сферических волн, огибающая которых в каждый момент времени представляет собой новый фронт волны.

16.3 Полное внутреннее отражение

Когда угол падения а, начинает приближаться к некоторому углу а_пред, угол преломления приближается к прямому (а₂ -* я/2), а интенсивность преломленного пучка очень быстро стремится к нулю. При всех углах падения, превосходящих угол а_пред, который называют предельным, свет полностью отражается от границы раздела, как от идеального зеркала, и преломленного пучка не существует. Это явление называют полным внутренним отражением

Для вычисления предельного утла полного внутреннего отражения положим в выражении (16.6) оц = а_пред и а₂ = я/2, получим



Одним из интересных применений полного внутреннего отражения явилась новая интенсивно развивающаяся область оптотехники — волоконная оптика. Под этим названием объединяется ряд приборов и установок, предназначенных для передачи информации и энергии с помощью световых пучков.

Первые опыты по использованию оптических каналов связи показали их высокую эффективность.

16.4 Фотометрические величины и единицы

График относительной спектральной световой эффективности V_x, равной отношению спектральной световой эффективности при данной длине волны к спектральной световой эффективности при X = 555 нм. График V дан для нормального глаза.



Уменьшение или увеличение длины волны всего на 50 нм относительно длины волны, соответствующей максимальной чувствительности глаза, снижает световое ощущение в два раза

Мощность излучения, приходящегося на видимый участок спектра (излучения с частотами от 3,9 • 1014 до 7,5 • 1014 Гц или с длинами волн от 760 до 400 нм), воспринимаемого глазом, называют световым потоком Ф0.

Для монохроматического света, соответствующего максимуму видности (А, = 555 нм), световой поток равен 683 лм, если мощность излучения равна 1 Вт

Источник называют точечным, если его размеры значительно меньше расстояния от источника до освещаемой поверхности и он излучает свет равномерно во все стороны. Пример точечного источника света — звезда на небе.

Единицей телесного угла служит стерадиан (ср) — это телесный угол

Единицей силы света в СИ служит кандела (кд), определяемая с помощью специального эталонного точечного источника света.



Освещенностью Е некоторой поверхности называют отношение светового потока Ф0, равномерно распределенного по поверхности, к площади этой поверхности: 

В СИ единицей освещенности служит люкс (лк): 1 лк равен освещенности поверхности 1 м2 при падающем на него световом потоке 1 лм, т.

люкс — это освещенность поверхности монохроматическим излучением частотой 5,4 • 10¹⁴ Гц

Способы измерения световых потоков различных источников света, а также создаваемой ими освещенности составляют содержание фотометрии — раздела оптики

Очень важно определить освещенность объектов при фото- и киносъемках. Для этого применяют специальный прибор — фотоэкспонометр

1. Освещенность, создаваемая точечным источником света, обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника. 

 2. В случае точечного источника поверхностная плотность потока излучения обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника.

16.5 Звездные величины

Солнце и звезды являются источниками электромагнитного излучения всевозможных частот, включая и видимый свет, который является лишь частью полного излучения.

Мощность излучения звезды, приходящаяся на световой, т. е. оптический, диапазон, составляет ее световой поток Ф₀. Полный поток излучения звезды характеризует ее светимость L.

Световой поток выражается в люменах (лм), а светимость — в ваттах (Вт). Светимость — это основная характеристика звезд. 

Параметр, характеризующий наблюдаемую яркость (блеск) звезды, принято обозначать тем же символом Е, которым обозначают освещенность.

Видимая звездная величина обозначается значком т (от лат. magnitido — величина) в числителе дроби.

Расстояния до звезд принято выражать либо в световых годах, либо в парсеках, причем



Звезды с измеренным параллаксом мысленно располагают на расстоянии Rq = 10 пк, которое называют стандартным. Пусть видимый блеск звезды равен Е на стандартном расстоянии он будет равен Е₀. 

Расстояние R в парсеках через годичный параллакс р, выраженный в секундах, определяется соотношением R=l/p