Виникнення та поширення механічних хвиль. Фізичні величини, які характеризують хвилі

 
 

У курсі фізики 7 класу ви вивчали механічні коливання. Часто буває так, що, виникнувши в одному місці, коливання поширюються в сусідні ділянки простору. Згадайте, наприклад, поширення коливань від кинутого у воду камінця або коливання земної кори, які поширюються від епіцентру землетрусу. У таких випадках говорять про хвильовий рух — хвилі (рис. 17.1). Із цього параграфа ви дізнаєтесь про особливості хвильового руху.

Створюємо механічні хвилі

Візьмемо досить довгу мотузку, один кінець якої прикріпимо до вертикальної поверхні, а інший будемо рухати вниз-вгору (коливати). Коливання від руки будуть поширюватися мотузкою, поступово залучаючи до коливального руху все більш віддалені точки, — мотузкою побіжить механічна хвиля (рис. 17.2).

Механічною хвилею називають поширення коливань у пружному середовищі*.

Розглянемо ще один приклад. Закріпимо горизонтально довгу м’яку пружину та здійснимо по її вільному кінцю серію послідовних ударів — пружиною побіжить хвиля, яка складатиметься зі згущень і розріджень витків пружини (рис. 17.3).

Описані вище хвилі можна побачити, проте більшість механічних хвиль є невидимими, наприклад звукові хвилі (рис. 17.4).

На перший погляд, усі механічні хвилі є зовсім різними, але причини їх виникнення та поширення — однакові. Давайте розбиратися.



 

З'ясовуємо, як і чому в середовищі поширюється механічна хвиля

Будь-яка механічна хвиля створюється тілом, яке коливається, — джерелом хвилі. Здійснюючи коливальний рух, джерело хвилі деформує прилеглі до нього шари середовища (стискає та

розтягує їх або зсовує). У результаті виникають сили пружності, які діють на сусідні шари середовища та спонукають їх здійснювати вимушені коливання. Ці шари, у свою чергу, деформують наступні шари та змушують їх коливатися. Поступово, один за одним, усі шари середовища долучаються до коливального руху — середовищем поширюється механічна хвиля.

Розрізняємо поперечні та поздовжні механічні хвилі

Якщо порівняти поширення хвилі мотузкою (див. рис. 17.2) і пружиною (див. рис. 17.3), можна побачити певну різницю.

Окремі частини мотузки рухаються (коливаються) перпендикулярно до напрямку поширення хвилі (на рис. 17.2 хвиля поширюється справа наліво, а частини мотузки рухаються вниз-вгору). Такі хвилі називають поперечними (рис. 17.5). У ході поширення поперечних хвиль відбувається зсув одних шарів середовища відносно інших. Деформація зсуву супроводжується виникненням сил пружності лише в твердих тілах, тому поперечні хвилі не можуть поширюватися в рідинах і газах. Отже, поперечні хвилі поширюються тільки в твердих тілах.

Під час поширення хвилі пружиною окремі витки пружини рухаються (коливаються) вздовж напрямку поширення хвилі. Такі хвилі називають поздовжніми (рис. 17.6). У ході поширення поздовжніх хвиль у середовищі відбуваються деформації стиснення та розтягнення (вздовж напрямку поширення хвилі густина середовища почергово то збільшується, то зменшується). Такі деформації в будь-якому середовищі супроводжуються виникненням сил пружності. Тому поздовжні хвилі поширюються і в твердих тілах, і в рідинах, і в газах.


Хвилі на поверхні рідини не є ані поздовжніми, ані поперечними. Вони мають складний поздовжньо-поперечний характер, при цьому частинки рідини рухаються по еліпсах. У цьому легко переконатися, якщо кинути в море легку тріску та поспостерігати її рух на поверхні води.

Виявляємо основні властивості хвиль

1. Коливальний рух від однієї точки середовища до іншої передається не миттєво, а з певним запізненням, тому хвилі поширюються в середовищі зі скінченною швидкістю.

2. Джерелом механічних хвиль завжди є тіло, що коливається; оскільки коливання частин середовища в ході поширення хвилі є вимушеними, то частота коливань кожної частини середовища дорівнює частоті коливань джерела хвилі.

3. Механічні хвилі не можуть поширюватись у вакуумі.

4. Хвильовий рух не супроводжується перенесенням речовини — частини середовища лише коливаються біля деяких положень рівноваги.

5. Із приходом хвилі частини середовища починають рухатися (набувають кінетичної енергії). Це означає, що під час поширення хвилі відбувається перенесення енергії.

Перенесення енергії без перенесення речовини є найважливішою властивістю будь-якої хвилі.

Згадайте поширення хвиль на поверхні води (рис. 17.7). Які спостереження підтверджують основні властивості хвильового руху?

Згадуємо фізичні величини, які характеризують коливання

Хвиля — це поширення коливань. Тому фізичні величини, які характеризують коливання (частота, період, амплітуда), також характеризують і хвилю. Отже, згадаємо 7 клас:

Зверніть увагу! Під час поширення механічної хвилі всі частини середовища, в якому поширюється хвиля, коливаються з однаковою частотою (у), що дорівнює частоті коливань джерела хвилі, тому період коливань (Т)

для всіх точок середовища теж є однаковим, адже

А от амплітуда коливань поступово зменшується з віддаленням від джерела хвилі.


Визначаємо довжину та швидкість поширення хвилі

Згадайте поширення хвилі мотузкою. Нехай кінець мотузки здійснив одне повне коливання, тобто час поширення хвилі дорівнює одному періоду (= Т). За цей час хвиля пошириться на певну відстань X (рис. 17.8, а). Цю відстань називають довжиною хвилі.

Довжина хвилі 1 — відстань, на яку поширюється хвиля за час, що дорівнює періоду Т:

де V — швидкість поширення хвилі.

Одиниця довжини хвилі в СІ — метр:

Неважко помітити, що точки мотузки, які розташовані одна від одної на відстані однієї довжини хвилі, коливаються синхронно — мають однакову фазу коливань (рис. 17.8, б, в). Наприклад, точки А і В мотузки одночасно рухаються вгору, одночасно досягають гребеня хвилі, потім одночасно починають рухатися вниз і т. д.

Якщо хвиля переходить з одного середовища в інше, швидкість її поширення змінюється; частота хвилі визначається джерелом хвилі, тому залишається незмінною. Таким чином, відповідно до формули V = XV у разі переходу хвилі з одного середовища в інше довжина хвилі змінюється.

Учимося розв'язувати задачі

Задача. Шнуром поширюється поперечна хвиля зі швидкістю 3 м/с. На рис. 1 показано положення шнура в певний момент часу та напрямок поширення хвилі. Скориставшись рисунком і вважаючи, що сторона клітинки дорівнює 15 см, визначте:

1) амплітуду, період, частоту і довжину хвилі;

2) напрямок, у якому в даний момент часу рухаються точки К, В і С шнура.

Розв’язання

Хвиля є поперечною, тому точки шнура здійснюють коливання перпендикулярно до напрямку поширення хвилі (рухаються вниз-вгору біля певних положень рівноваги).

1) Із рис. 1 бачимо, що максимальне відхилення від положення рівноваги (амплітуда А хвилі) дорівнює 2 клітинкам. Отже, А = 2 15см = 30см.

Відстань між гребенем і западиною — 60 см (4 клітинки), відповідно відстань між двома найближчими гребенями (довжина хвилі) вдвічі більша. Отже, ^ = 2·60см = 120см = 1,2 м.

Частоту V і період Т хвилі знайдемо, скориставшись формулою хвилі:

2) Для визначення напрямку руху точок шнура виконаємо додаткову побудову. Нехай за невеликий інтервал часу Д£ хвиля змістилася на деяку невелику відстань. Оскільки хвиля зміщується вправо, а її форма з часом не змінюється, точки шнура займуть положення, які показано на рис. 2 пунктиром.

Хвиля є поперечною, тобто точки шнура рухаються перпендикулярно до напрямку поширення хвилі. Із рис. 2 бачимо, що точка К через інтервал часу Д опиниться нижче від свого початкового положення, отже, швидкість її руху напрямлена вниз; точка В переміститься вище, отже, швидкість її руху напрямлена вгору; точка С переміститься нижче, отже, швидкість її руху напрямлена вниз.

Відповідь: А = 30 см; Т = 0,4 с; ν = 2,5 Гц; ^ = 1,2 м; точки К і С рухаються вниз, точка В — вгору.

Підбиваємо підсумки

Поширення коливань у пружному середовищі називають механічною хвилею. Механічну хвилю, в якій частини середовища коливаються перпендикулярно до напрямку поширення хвилі, називають поперечною; хвилю, в якій частини середовища коливаються вздовж напрямку поширення хвилі, називають поздовжньою.

Хвиля поширюється в просторі не миттєво, а з певною швидкістю. Під час поширення хвилі відбувається перенесення енергії без перенесення речовини. Відстань, на яку поширюється хвиля за час, що дорівнює періоду, називають довжиною хвилі — це відстань між двома найближчими точками, які коливаються синхронно (мають однакову фазу коливань). Довжина 1, частота V і швидкість V поширення хвилі пов’язані формулою хвилі: V = Ху .

Контрольні запитання

1. Дайте означення механічної хвилі. 2. Опишіть механізм утворення та поширення механічної хвилі. 3. Назвіть основні властивості хвильового руху. 4. Які хвилі називають поздовжніми? поперечними? У яких середовищах вони поширюються? 5. Що таке довжина хвилі? Від чого вона залежить? 6. Як пов’язані довжина, частота і швидкість поширення хвилі?

Вправа № 17

1. На рис. 1 показано поширення хвилі мотузкою (а) і пружиною (б). Визначте довжину кожної хвилі.

2. В океані довжина хвилі сягає 270 м, а її період дорівнює 13,5 с. Визначте швидкість поширення такої хвилі.

3. Чи збігаються швидкість поширення хвилі та швидкість руху точок середовища, яким поширюється хвиля?

4. Чому механічна хвиля не поширюється у вакуумі?

5. У результаті вибуху, зробленого геологами, в земній корі поширилася хвиля зі швидкістю 4,5 км/с. Відбита від глибоких шарів Землі, ця хвиля була зафіксована на поверхні Землі через 20 с після вибуху. На якій глибині залягає порода, густина якої різко відрізняється від густини земної кори?

6. На рис. 2 зображено дві мотузки, якими поширюється поперечна хвиля. На кожній мотузці показано напрямок коливань однієї із її точок. Для кожного випадку а і б визначте напрямок поширення хвилі.

7. На рис. 3 зображено положення двох шнурів, якими поширюється хвиля, показано напрямок поширення кожної хвилі. Сторона клітинки дорівнює 20 см. Для кожного випадку а і б визначте:

1) амплітуду, період, довжину хвилі;

2) напрямок, у якому в даний момент часу рухаються точки А, В і С шнура;

3) кількість коливань, що робить будь-яка точка шнура за 30 с.

8. Людина, стоячи на березі моря, визначила, що відстань між сусідніми гребенями хвиль, які йдуть одна за одною, дорівнює 15 м. Крім того, вона підрахувала, що за 75 с до берега доходить 16 хвильових гребенів. Визначте швидкість поширення хвиль.

скачать dle 11.0фильмы бесплатно

Популярне з Фізики за 9 клас

Добавити коментар

Автору дуже потрібно знати, чи Вам допоміг даний матеріал?!

    • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
      heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
      winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
      worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
      expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
      disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
      joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
      sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
      neutral_faceno_mouthinnocent
оновити, якщо не видно коду

Коментарів 0


Ми створили сайт TEXTBOOKS з метою розміщення матеріалів (шкільних підручників) Міністерства Освіти України, для покращення освітнього процесу учнів у школах та вузах України.
Онлайн перегляд шкільного матеріалу допоможе Вам знайти якісну відповідь на поставлені питання вчителя.
Використовуйте Наш ресур для підготовки до ЗНО 2021, адже у нас присутні підготовчі курси з математики, української мови та літератури, англіської мови та історії України.