в какой среде не могут распространяться механические колебания волны

Механические волны

Если в каком-нибудь месте твердой, жидкой или газообразной среды возбуждены колебания частиц, то вследствие взаимодействия атомов и молекул среды колебания начинают передаваться от одной точки к другой с конечной скоростью. Процесс распространения колебаний в среде называется волной.

Механические волны бывают разных видов. Если в волне частицы среды испытывают смещение в направлении, перпендикулярном направлению распространения, то волна называется поперечной. Примером волны такого рода могут служить волны, бегущие по натянутому резиновому жгуту (рис. 2.6.1) или по струне.

Если смещение частиц среды происходит в направлении распространения волны, то волна называется продольной. Волны в упругом стержне (рис. 2.6.2) или звуковые волны в газе являются примерами таких волн.

Волны на поверхности жидкости имеют как поперечную, так и продольную компоненты.

Как в поперечных, так и в продольных волнах переноса вещества в направлении распространения волны не происходит. В процессе распространения частицы среды лишь совершают колебания около положений равновесия. Однако волны переносят энергию колебаний от одной точки среды к другой.

Распространение поперечного волнового импульса по натянутому резиновому жгуту

Распространение продольного волнового импульса по упругому стержню

Характерной особенностью механических волн является то, что они распространяются в материальных средах (твердых, жидких или газообразных). Существуют волны, которые способны распространяться и в пустоте (например, световые волны). Для механических волн обязательно нужна среда, обладающая способностью запасать кинетическую и потенциальную энергию. Следовательно, среда должна обладать инертными и упругими свойствами. В реальных средах эти свойства распределены по всему объему. Так, например, любой малый элемент твердого тела обладает массой и упругостью. В простейшей одномерной модели твердое тело можно представить как совокупность шариков и пружинок (рис. 2.6.3).

Простейшая одномерная модель твердого тела

В этой модели инертные и упругие свойства разделены. Шарики обладают массой m, а пружинки – жесткостью k. С помощью такой простой модели можно описать распространение продольных и поперечных волн в твердом теле. В продольных волнах шарики испытывают смещения вдоль цепочки, а пружинки растягиваются или сжимаются. Такая деформация называется деформацией растяжения или сжатия. В жидкостях или газах деформация такого рода сопровождается уплотнением или разрежением.

Продольные механические волны могут распространяться в любых средах – твердых, жидких и газообразных.

Продольные волны – это периодические сгущения и разрежения среды. Поэтому такие волны могут существовать в любых телах – твердых, жидких, газообразных. Поперечные волны могут существовать лишь в твердых телах. Это объясняется тем, что для распространения такой волны необходимо «жесткое» расположение частиц среды, чтобы между ними могли возникать силы упругости.

Если в одномерной модели твердого тела один или несколько шариков сместить в направлении, перпендикулярном цепочке, то возникнет деформация сдвига. Деформированные при таком смещении пружины будут стремиться возвратить смещенные частицы в положение равновесия. При этом на ближайшие несмещенные частицы будут действовать упругие силы, стремящиеся отклонить их от положения равновесия. В результате вдоль цепочки побежит поперечная волна.

В жидкостях и газах упругая деформация сдвига не возникает. Если один слой жидкости или газа сместить на некоторое расстояние относительно соседнего слоя, то никаких касательных сил на границе между слоями не появится. Силы, действующие на границе жидкости и твердого тела, а также силы между соседними слоями жидкости всегда направлены по нормали к границе – это силы давления. То же относится к газообразной среде. Следовательно, поперечные волны не могут существовать в жидкой или газообразной средах.

Значительный интерес для практики представляют простые гармонические или синусоидальные волны. Они характеризуются амплитудой A колебания частиц, частотой f и длиной волны λ. Синусоидальные волны распространяются в однородных средах с некоторой постоянной скоростью υ.

Смещение y (x, t) частиц среды из положения равновесия в синусоидальной волне зависит от координаты x на оси OX, вдоль которой распространяется волна, и от времени t по закону:

– так называемое волновое число, ω = 2πf – круговая частота.

На рис. 2.6.4 изображены «моментальные фотографии» поперечной волны в два момента времени: t и t + Δt. За время Δt волна переместилась вдоль оси OX на расстояние υΔt. Такие волны принято называть бегущими (в отличие от стоячих волн, см. далее).

«Моментальные фотографии» бегущей синусоидальной волны в момент времени t и t + Δt

Длиной волны λ называют расстояние между двумя соседними точками на оси OX, колеблющимися в одинаковых фазах. Расстояние, равное длине волны λ, волна пробегает за период Т, следовательно, λ = υT, где υ – скорость распространения волны.

Для любой выбранной точки на графике волнового процесса (например, для точки A на рис. 2.6.4) с течением времени t изменяется координата x этой точки, а значение выражения ωt – kx не изменяется. Через промежуток времени Δt точка A переместится по оси OX на некоторое расстояние Δx = υΔt. Следовательно:

Таким образом, бегущая синусоидальная волна обладает двойной периодичностью – во времени и пространстве. Временной период равен периоду колебаний T частиц среды, пространственный период равен длине волны λ. Волновое число является пространственным аналогом круговой частоты

Обратим внимание на то, что уравнение

описывает синусоидальную волну, распространяющуюся в направлении, противоположном направлению оси OX, со скоростью .

В бегущей синусоидальной волне каждая частица среды совершает гармонические колебания с некоторой частотой ω. Поэтому, как и в случае простого колебательного процесса, средняя потенциальная энергия, запасенная в некотором объеме среды, равна средней кинетической энергии в том же объеме и пропорциональна квадрату амплитуды колебаний.

Отсюда следует, что при распространении бегущей волны возникает поток энергии, пропорциональный скорости волны и квадрату ее амплитуды.

Бегущие волны распространяются в средах с определенными скоростями, зависящими от типа волны, а также от инертных и упругих свойств среды.

Скорость поперечных волн в натянутой струне или резиновом жгуте зависит от погонной массы μ (т. е. массы единицы длины) и силы натяжения T:

Скорость распространения продольных волн в безграничной среде определяется плотностью среды ρ (т. е. массой единицы объема) и модулем всестороннего сжатия B, который равен коэффициенту пропорциональности между изменением давления Δp и относительным изменением объема ΔV / V, взятому с обратным знаком:

Выражение для скорости распространения продольных волн в безграничных средах имеет вид

Например, при температуре 20 °С скорость распространения продольных волн в воде υ ≈ 1480 м/с, в различных сортах стали υ ≈ 5–6 км/с.

При распространении продольных волн в упругих стержнях в формулу для скорости волн вместо модуля всестороннего сжатия B входит модуль Юнга E :

Для стали отличие E от B невелико, для других материалов оно может составлять 20–30 % и даже больше.

Если механическая волна, распространяющаяся в среде, встречает на своем пути какое-либо препятствие, то она может резко изменить характер своего поведения. Например, на границе раздела двух сред с разными механическими свойствами волна частично отражается, а частично проникает во вторую среду. Волна, бегущая по резиновому жгуту или струне отражается от неподвижно закрепленного конца; при этом появляется волна, бегущая во встречном направлении. В струне, закрепленной на обоих концах, возникают сложные колебания, которые можно рассматривать как результат наложения (суперпозиции) двух волн, распространяющихся в противоположных направлениях и испытывающих отражения и переотражения на концах. Колебания струн, закрепленных на обоих концах, создают звуки всех струнных музыкальных инструментов. Очень похожее явление возникает при звучании духовых инструментов, в том числе органных труб.

Если волны, бегущие по струне во встречных направлениях, имеют синусоидальную форму, то при определенных условиях они могут образовать стоячую волну.

Пусть струна длины l закреплена так, что один из ее концов находится в точке x = 0, а другой – в точке x₁ = L (рис. 2.6.5). В струне создано натяжение T.

Образование стоячей волны в струне, закрепленной на обоих концах

По струне одновременно распространяются в противоположных направлениях две волны одной и той же частоты:

В точке x = 0 (один из закрепленных концов струны) падающая волна y₁ в результате отражения порождает волну y₂. При отражении от неподвижно закрепленного конца отраженная волна оказывается в противофазе с падающей. Согласно принципу суперпозиции, который является экспериментальным фактом, колебания, вызванные встречными волнами в каждой точке струны, складываются. Таким образом, результирующее колебание в каждой точке равно сумме колебаний, вызванных волнами y₁ и y₂ в отдельности. Следовательно,

Это и есть стоячая волна. В стоячей волне существуют неподвижные точки, которые называются узлами. Посередине между узлами находятся точки, которые колеблются с максимальной амплитудой. Эти точки называются пучностями.

Оба неподвижных конца струны должны быть узлами. Приведенная выше формула удовлетворяет этому условию на левом конце (x = 0). Для выполнения этого условия и на правом конце (x = L), необходимо чтобы kL = nπ, где n – любое целое число. Это означает, что стоячая волна в струне возникает не всегда, а только в том случае, если длина L струны равняется целому числу длин полуволн:

Набору значений λn длин волн соответствует набор возможных частот fn:

где – скорость распространения поперечных волн по струне. Каждая из частот и связанный с ней тип колебания струны называется нормальной модой. Наименьшая частота f₁ называется основной частотой, все остальные (f₂, f₃, …) называются гармониками. На рис. 2.6.5 изображена нормальная мода для n = 2.

В стоячей волне нет потока энергии. Колебательная энергия, заключенная в отрезке струны между двумя соседними узлами, не транспортируется в другие части струны. В каждом таком отрезке происходит периодическое (дважды за период T) превращение кинетической энергии в потенциальную и обратно как в обычной колебательной системе. Но в отличие от груза на пружине или маятника, у которых имеется единственная собственная частота

струна обладает бесконечным числом собственных (резонансных) частот fn. На рис. 2.6.6 изображены несколько типов стоячих волн в струне, закрепленной на обоих концах.

Первые пять нормальных мод колебаний струны, закрепленной на обоих концах

В соответствии с принципом суперпозиции стоячие волны различных типов (т. е. с разными значениями n) могут одновременно присутствовать в колебаниях струны.

Источник

Тест по физике Распространение колебаний в среде 9 класс

Тест по физике Распространение колебаний в среде Волны для учащихся 9 класса с ответами. Тест включает в себя 10 заданий с выбором ответа.

1. В какой среде не могут распространяться механические волны?

1) В твердых телах
2) В жидкостях
3) В газах
4) В вакууме

2. Какие волны нельзя отнести к механическим волнам?

1) Волны на поверхности воды
2) Звуковые волны
3) Электромагнитные волны
4) Упругие волны

3. Выберите верное(-ые) утверждение(-я).

А. в бегущей волне происходит перенос энергии
Б. в бегущей волне происходит перенос вещества

1) Только А
2) Только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б

4. Поперечной называют такую волну, в которой частицы

1) колеблются в направлении распространения волны
2) колеблются в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны
3) движутся по кругу в плоскости, параллельной направлению распространения волны
4) движутся по кругу в плоскости, перпендикулярной на- правлению распространения волны

5. В каких направлениях движутся частицы среды при распространении продольных механических волн?

1) По направлению распространения волны
2) В направлениях, перпендикулярных направлению распространения волны
3) В направлении, противоположном направлению распространения волны
4) По направлению и противоположно направлению распространения волны

6. В каких направлениях совершаются колебания в поперечной волне?

1) Во всех направлениях
2) Вдоль направления распространения волны
3) Перпендикулярно направлению распространения волны
4) И по направлению распространения волны, и перпендикулярно распространению волны

7. Какие волны являются волнами сдвига?

1) Продольные
2) Поперечные
3) Электромагнитные
4) Все выше перечисленные волны

8. Какие волны являются волнами сжатия и разрежения?

1) Продольные
2) Поперечные
3) Электромагнитные
4) Все выше перечисленные волны

9. В какой среде могут распространяться упругие поперечные волны?

1) В твердых телах
2) В жидкостях
3) В газах
4) В вакууме

10. В какой среде могут распространяться упругие продольные волны?

1) Только в твердых телах
2) Только в жидкостях
3) Только в газах
4) В твердых телах, жидкостях и газах

Ответы на тест по физике Распространение колебаний в среде Волны
1-4
2-3
3-1
4-2
5-4
6-3
7-2
8-1
9-1
10-4

Источник

Механические волны.

Автор — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: механические волны, длина волны, звук.

Наличие у среды упругих свойств является необходимым условием распространения волн: деформация, возникающая в каком-либо месте, благодаря взаимодействию соседних частиц последовательно передаётся от одной точки среды к другой. Различным типам деформаций будут соответствовать разные типы волн.

Продольные и поперечные волны.

Волна называется продольной, если частицы среды колеблются параллельно направлению распространения волны. Продольная волна состоит из чередующихся деформаций растяжения и сжатия. На рис. 1 показана продольная волна, представляющая собой колебания плоских слоёв среды; направление, вдоль которого колеблются слои, совпадает с направлением распространения волны (т. е. перпендикулярно слоям).

Рис. 1. Продольная волна

Волна называется поперечной, если частицы среды колеблются перпендикулярно направлению распространения волны. Поперечная волна вызывается деформациями сдвига одного слоя среды относительно другого. На рис. 2 каждый слой колеблется вдоль самого себя, а волна идёт перпендикулярно слоям.

Рис. 2. Поперечная волна

Продольные волны могут распространяться в твёрдых телах, жидкостях и газах: во всех этих средах возникает упругая реакция на сжатие, в результате которой появятся бегущие друг за другом сжатия и разрежения среды.

Однако жидкости и газы, в отличие от твёрдых тел, не обладают упругостью по отношению к сдвигу слоёв. Поэтому поперечные волны могут распространяться в твёрдых телах, но не внутри жидкостей и газов*.

Важно отметить, что частицы среды при прохождении волны совершают колебания вблизи неизменных положений равновесия, т. е. в среднем остаются на своих местах. Волна, таким образом, осуществляет
перенос энергии, не сопровождающийся переносом вещества.

Наиболее просты для изучения гармонические волны. Они вызываются внешним воздействием на среду, меняющимся по гармоническому закону. При распространении гармонической волны частицы среды совершают гармонические колебания с частотой, равной частоте внешнего воздействия. Гармоническими волнами мы в дальнейшем и ограничимся.

Скоростью распространения волны называется отношение длины волны к периоду колебаний частиц среды:

Частотой волны называется частота колебаний частиц:

Отсюда получаем связь скорости волны, длины волны и частоты:

Тон — это звук, который издаёт тело, совершающее гармонические колебания (например, камертон или струна). Высота тона определяется частотой этих колебаний: чем выше частота, тем выше нам кажется звук. Так, натягивая струну, мы увеличиваем частоту её колебаний и, соответственно, высоту звука.

Источник

Лекция по физике на тему «Механические волны».

Механические волны, их характеристики. Свойства механических волн.

1. Длина математического маятника 4,9 м. Сколько колебаний он совершает за время t = 5 мин?

Вертикально подвешенная пружина растягивается прикрепленным

к ней грузом на величину 0,8 см. Найдите период T свободных колебаний груза.

2. Под действием пружины груз массой 100 г совершает колебания с частотой 2 Гц. Найдите жесткость пружины.

3. Первый маятник совершил n1 = 10 колебаний, а второй за это же время совершил n 2 = 6 колебаний. Разность длин маятников ∆l = 16 cм. Определите длины маятников.

4. Как изменится период колебания маятника, если перенести его с Земли на Луну? Причем масса Луны в 81 раз меньше массы Земли, а радиус Земли в 3,7 раза больше радиуса Луны.

Колебательная система — это физическая система, в которой при отклонении от положения равновесия возникают и существуют колебания.

Реальные колебательные системы практически всегда расположены в какой-либо среде. Поэтому колебательная система может отдавать энергию частицам среды, непосредственно прилегающим к ней, вызывая их вынужденные колебания. Например, движение качелей происходит в воздухе, и, стоя возле них, можно ощущать движение воздуха.

Между молекулами вещества существуют силы взаимодействия, которые определяют его упругие свойства.

Если какие-то частицы в упругой среде выводятся из положения равновесия, то силы взаимодействия со стороны соседних частиц препятствуют этому и одновременно сами смещают соседние частицы. Вследствие взаимодействия между частицами колебательное движение передается от одной частицы к другой, и колебательный процесс распространяется в среде.

Процесс распространения колебаний в упругой среде, называется механической волной.

Механические волны могут распространяться только в какой-нибудь среде: в газе, в жидкости, в твердом теле

В вакууме механическая волна возникнуть не может.

А тела, которые вызывают распространяющиеся в среде упругие механические волны, называются источниками волн или вибраторами.

В качестве модели возникновения и распространения механической волны можно рассмотреть движение двух поплавков на поверхности воды. Погрузим один из них в воду так, чтобы поплавок начал колебаться вверх-вниз. Вместе с поплавком смещаются соприкасающиеся с ним частицы воды, которые вовлекают в движение ближайшие к ним другие частицы, и от поплавка по всем направлениям распространяются волны. Эти волны вовлекают в колебательное движение второй поплавок, и от него появляются такие же волны.

Обратите внимание на то, что оба поплавка только колеблются возле положения равновесия, а волны распространяются от них во всех направлениях.

Рассмотрим модель еще более простой механической волны, которая распространяется только в одном направлении. Для этого возьмем резиновый шнур с нанизанными на него бусинами, один конец закрепим, а второй конец будем периодически двигать вверх-вниз возле положения равновесия

В качестве источника колебаний выступает рука, и пусть ее колебания, а, следовательно, колебания ближайшей от нее бусины, происходят вдоль оси Oy по закону синуса.

В записанном уравнении A — это амплитуда колебания бусины, которая подвержена нашим воздействиям, аргумент синуса — это фаза колебания, а T — период колебаний.

На рисунке видны положения бусин на шнуре через определенную часть периода колебаний.

Из рисунка видно, что при распространении волны, во-первых, смещение каждой точки шнура от положения равновесия происходит с течением времени периодически; а во-вторых, смещения всех точек шнура в каждый момент времени периодически изменяются от точки к точке, то есть являются периодической функцией координат.

Иногда говорят, что при распространении волны происходит перемещение фазы колебания от точки к точке с определенной скоростью.

Фазовой скоростью называется скорость распространения какой-либо фазы от одной точки среды к другой.

Геометрическое место точек среды, колеблющихся в одинаковых фазах, образуют волновую поверхность.

А волновая поверхность, отделяющая колеблющиеся частицы среды от частиц, которые еще не начали колебаться, называют фронтом волны.

В зависимости от формы фронта волны, различают волны плоские, сферические и так далее.

В плоской волне волновые поверхности представляют собой плоскости, перпендикулярные к направлению распространения волны.

А в сферической волне волновые поверхности представляют собой концентрические сферы. Такая волна распространяется с одинаковой скоростью по всем направлениям.

Распространение колебательного движения в среде с определенной скоростью называется бегущей волной.

Рассмотрим ее более подробно. Пусть волна вдоль шнура распространилась до точки с координатой х. Бусина в этой точке имеет такую же фазу колебаний, как и первая, но в более поздний момент времени распространения волны, то есть отстает во времени на x/v.

Следовательно, уравнение колебаний бусины вдоль оси Oy около положения ее равновесия, имеющего координату x, будет повторять уравнение колебаний первой бусины, но с соответствующим отставанием по фазе.

Это уравнение называют уравнением плоской бегущей монохроматической волны, при этом полагают, что затуханием волны в процессе ее распространения можно пренебречь.

Важно понимать, что при распространении бегущей механической волны частицы среды не перемещаются вместе с волной, а только совершают колебания около своих положений устойчивого равновесия. Поэтому бегущая волна не переносит вещество, а переносит энергию колебательного движения.

Необходимо отметить, что распространение механических волн определяется передачей энергии колебательного движения от одной частицы к другой. Эта переносимая волной энергия равна сумме кинетических энергий колеблющихся частиц и потенциальной энергии упругой деформации среды.

И так, механическая волна — это процесс распространения колебательного движения в среде от частицы к частице, обусловленный взаимодействием между ними. Следовательно, скорость распространения механических волн в среде должна зависеть от сил взаимодействия между частицами среды.

При рассмотрении механических деформаций говорилось, что силы взаимодействия в веществе зависят от свойств молекул или атомов и расстояний, на которых они находятся. А опыты по изучению механических волн показывают, что скорость их распространения в однородной среде тем больше, чем меньше плотность вещества и чем более упругим оно является.

Волне присущи все характеристики, которые соответствуют колебательному движению: амплитуда, период колебания, частота, длина и скорость.

Амплитуда — это максимальное смещение тела от положения равновесия.

Промежуток времени, в течение которого тело совершает одно полное колебание — это период.

А число колебаний в единицу времени называется частотой колебаний.

Также для характеристики волн применяют понятие «длина волны», которое можно ввести двумя способами:

И так, длиной волны называется расстояние, на которое распространяется колебательный процесс в среде за время, равное периоду колебаний ее частиц;

Длина волны равна расстоянию между соседними гребнями или впадинами в поперечной волне и между соседними сгущениями или разряжениями в продольной волне.

Период волны определяется источником колебаний, а скорость обусловлена свойствами среды, поэтому при распространении колебательного процесса из одной среды в другую изменяются и скорость, и длина волны, а вот частота и период не изменяются.

Основными свойствами волн являются:

Следует заметить, что волновую природу любого процесса доказывают явления интерференции и дифракции.

Если Вы считаете, что материал нарушает авторские права либо по каким-то другим причинам должен быть удален с сайта, Вы можете оставить жалобу на материал.

Источник