Могут ли механические волны распространяться в вакууме? Ответ поясните
Пожалуйста, войдите или зарегистрируйтесь для публикации ответа на этот вопрос.
решение вопроса
Связанных вопросов не найдено
Обучайтесь и развивайтесь всесторонне вместе с нами, делитесь знаниями и накопленным опытом, расширяйте границы знаний и ваших умений.
- Все категории
- экономические 43,679
- гуманитарные 33,657
- юридические 17,917
- школьный раздел 612,713
- разное 16,911
Популярное на сайте:
Как быстро выучить стихотворение наизусть? Запоминание стихов является стандартным заданием во многих школах.
Как научится читать по диагонали? Скорость чтения зависит от скорости восприятия каждого отдельного слова в тексте.
Как быстро и эффективно исправить почерк? Люди часто предполагают, что каллиграфия и почерк являются синонимами, но это не так.
Как научится говорить грамотно и правильно? Общение на хорошем, уверенном и естественном русском языке является достижимой целью.
- Обратная связь
- Правила сайта
Физика. 11 класс
§ 5. Распространение колебаний в упругой среде. Продольные и поперечные волны
Если бросить камень в воду, то от места падения по поверхности воды начнут распространяться круговые волны (рис. 30), радиус которых будет увеличиваться с течением времени. Как происходит процесс распространения колебаний? Какие условия необходимы для этого?
Рассмотрим систему горизонтальных пружинных маятников, соединенных друг с другом (рис. 31). Что произойдет, если подействовать на один из шариков цепочки (например, первый) периодической внешней силой, направленной вдоль цепочки? Поскольку между шариками действуют силы упругости, обусловленные пружинами, то в колебательное движение той же частоты придут и все последующие шарики цепочки. Начинается процесс распространения колебаний, причем колебания каждого последующего шарика будут запаздывать по сравнению с колебаниями предыдущего. Это запаздывание обусловлено конечной скоростью распространения упругих деформаций вдоль цепочки пружин.
Рассмотренная система (цепочка шариков, связанных между собой пружинами) представляет собой простейшую (одномерную) модель упругой среды. Упругой называется среда, частицы которой связаны между собой силами упругости. Примерами упругих сред служат газ, жидкость, твердое тело, эластичный материал (резина).
Результаты экспериментов показывают, что колебания, возбужденные в какой-либо точке упругой среды, с течением времени передаются в ее другие точки. Так от камня, брошенного в спокойную воду озера, кругами расходятся волны. Из-за периодических сокращений сердца возникают биения пульса на запястье и т. п. Перечисленные явления — примеры процесса распространения механических колебаний в упругой среде.
Механической волной называется процесс распространения колебаний в упругой среде, который сопровождается передачей энергии от одной точки среды к другой.
Механические волны могут распространяться в газах, жидкостях, твердых телах, но не могут распространяться в вакууме.
Источником механических волн всегда является какое-либо колеблющееся тело. Механизм образования волны можно представить следующим образом. Источник колебаний, например камертон (рис. 32), воздействует на частицы упругой среды, соприкасающиеся с ним, и заставляет их совершать вынужденные колебания (рис. 33). Участки упругой среды вблизи источника деформируются, и в них возникают силы упругости, препятствующие деформации.
Если частицы среды сблизились, то возникающие упругие силы их расталкивают, а если они удалились друг от друга, то упругие силы их сближают. Силы будут действовать на все более удаленные от источника частицы среды, постепенно приводя их в колебательное движение. В результате колебания будут распространяться в среде в виде волны (рис. 34).
Если источник колеблется гармонически, то и волна в упругой среде будет гармонической. Заметим, что колебания, вызванные в каком-либо месте упругой среды, распространяются в ней не мгновенно, а с определенной скоростью, зависящей от плотности и упругих свойств среды.
Подчеркнем, что при распространении волны отсутствует перенос вещества, поскольку частицы среды колеблются вблизи своих фиксированных положений равновесия.
Рассмотрим основные характеристики волн (см. рис. 34):
амплитуда ( A ) — модуль максимального смещения точек среды от положений равновесия при колебаниях;
период (T) — время одного колебания (период колебаний точек среды равен периоду колебаний источника волны):
где τ— промежуток времени, в течение которого совершаются N колебаний.
Частота (ν) — число колебаний, совершаемых данной системой в единицу времени:
частота волны равна частоте колебаний источника.
Отметим, что амплитуда, период и частота для механических волн определяются точно так же, как и для колебаний.
Новыми характеристиками волн являются (рис. 35):
длина волны (λ) — это расстояние, на которое возмущение распространяется за промежуток времени, равный периоду колебаний источника:
скорость распространения волны () — это скорость распространения колебаний в упругой среде, модуль этой скорости согласно (1) равен:
Подчеркнем, что скорость распространения волн и скорость колебания частиц — это разные величины.
Волновая поверхность — это поверхность, все точки которой колеблются в одинаковых фазах, т. е. это поверхность равных фаз. Геометрическое место точек, до которых доходят колебания к моменту времени t, называется волновым фронтом.
Волна называется круговой, если ее волновой фронт является окружностью (см. рис 30).
Пусть колебания источника происходят с циклической частотой и амплитудой A:
где — смещение источника от положения равновесия.
Рассмотрим возникновение волны в окружающей среде. В некоторую точку среды колебания придут не мгновенно, а через промежуток времени, определяемый скоростью распространения волны и расстоянием от источника до точки наблюдения. Если модуль скорости распространения волны в данной среде равен v, то зависимость от времени t координаты (смещения) x колеблющейся точки, находящейся на расстоянии r от источника, описывается уравнением
где k — волновое число , — фаза волны.
Это выражение называется уравнением распространяющейся (бегущей) волны.
Распространение волны можно наблюдать, проведя следующий эксперимент: если один конец резинового шнура, лежащего на гладком горизонтальном столе, закрепить и, слегка натянув шнур рукой, привести его второй конец в колебательное движение в направлении, перпендикулярном шнуру, то по нему побежит волна.
В отличие от колебаний, где кинетическая и потенциальная энергии изменяются в противофазе (см. рис. 22), в бегущей волне колебания кинетической и потенциальной энергий происходят в одинаковой фазе.
Волна называется продольной, если колебания частиц среды происходят вдоль направления распространения волн. Распространение волн вдоль цепочки горизонтальных пружинных маятников (см. рис. 31) является примером распространения продольных упругих волн.
При этом распространение волны сопровождается образованием сгущений и разрежений вдоль направления ее распространения.
Продольную волну легко получить с помощью длинной «мягкой» пружины (рис. 36, а), которая лежит на гладкой горизонтальной поверхности и один конец ее закреплен. Упругие волны в газах и жидкостях возникают только при сжатии или разрежении среды. Поэтому в таких средах возможно распространение только продольных волн.
Легким ударом по свободному концу B пружины мы вызовем появление волны (рис. 36, б). При этом каждый виток пружины будет колебаться вдоль направления распространения волны BC. Примерами продольных волн являются звуковые волны в воздухе и жидкости.
Волна называется поперечной, если частицы среды колеблются в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.
Поперечная волна будет распространяться вдоль цепочки пружинных маятников, если на один из них подействовать периодической силой, направленной перпендикулярно цепочке (рис. 37).
Используя длинную пружину, можно также продемонстрировать распространение поперечных волн, если совершать колебания незакрепленного конца перпендикулярно продольной оси пружины (рис. 38).
В твердых телах упругие волны могут возникать также и при смещении или сдвиге одних слоев среды относительно других. Поэтому в отличие от жидкостей и газов в твердых телах возможно распространение как продольных, так и поперечных волн.
Отметим, что скорость этих волн различна, так как для продольных волн их распространение связано с деформацией сжатия, а для поперечных — с деформацией сдвига (рис. 39). Упругие свойства тел в отношении этих видов деформации неодинаковы, и скорости распространения будут отличаться. Например, поперечные волны в стали распространяются со скоростью, модуль которой , а продольные — .
Землетрясения являются источниками сейсмических волн, причем они могут быть как продольными, так и поперечными. Вследствие того что скорости продольных волн больше, чем скорости поперечных, по времени запаздывания поперечной волны можно определить расстояние до очага землетрясения.
Волны могут распространяться не только в среде, но и вдоль границы раздела двух сред. Такие волны получили название поверхностных волн. Примером данного типа волн служат хорошо знакомые всем волны на поверхности воды.
В какой среде механические волны распространяться не могут
Азбука физики 
Научные игрушки 
Простые опыты 
Этюды об ученых 
Решение задач 
Презентации 
Книги по физике 
Умные книжки 
Есть вопросик? 
Его величество. 
Музеи науки. 
Достижения. 
Викторина по физике 
Физика в кадре 
Учителю 
Читатели пишут 
Волны могут быть разной природы: механические, электромагнитные и т.д.
Мы будем рассматривать механические волны.
Волна- это колебания, распространяющиеся в пространстве в течениие 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:
— 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).
-колебания среды происходят перпендикулярно направлению их распространения,
при этом происходит сдвиг слоев среды.
— возникают только в твердых телах.
-попробуй сам смоделировать на тренажере продольную или поперечную волну,
жми здесь.
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.
§ 17. Возникновение и распространение механических волн. Физические величины, характеризующие волны
В курсе физики 7 класса вы изучали механические колебания. Часто бывает так, что, возникнув в одном месте, колебания распространяются в соседние области пространства. Вспомните, например, распространение колебаний от брошенного в воду камешка или колебания земной коры, распространяющиеся от эпицентра землетрясения. В таких случаях говорят о волновом движении — волнах (рис. 17.1). Из этого параграфа вы узнаете об особенностях волнового движения.
Рис. 17.1. От камешка, брошенного в воду, по поверхности воды распространяются волны
1. Создаем механические волны
Возьмем довольно длинную веревку, один конец которой прикрепим к вертикальной поверхности, а второй будем двигать вниз-вверх (колебать). Колебания от руки распространятся по веревке, постепенно вовлекая в колебательное движение все более удаленные точки, — по веревке побежит механическая волна (рис. 17.2).
Рис. 17.2. Распространение волны вдоль веревки. Стрелка показывает направление распространения волны
Механической волной называют распространение колебаний в упругой среде*.
* Среду называют упругой, если при ее деформации возникают силы, противодействующие этой деформации, — силы упругости.
Теперь закрепим горизонтально длинную мягкую пружину и нанесем по ее свободному концу серию последовательных ударов — в пружине побежит волна, состоящая из сгущений и разрежений витков пружины (рис. 17.3).
Рис. 17.3. Распространение волны в пружине. Стрелка показывает направление распространения волны
Описанные выше волны можно увидеть, однако большинство механических волн невидимы, например звуковые волны (рис. 17.4).
Рис. 17.4. Колебания звучащего тела являются причиной поочередных сгущений и разрежений среды — в среде распространяется звуковая волна
На первый взгляд, все механические волны абсолютно разные, но причины их возникновения и распространения одинаковы.
2. Выясняем, как и почему в среде распространяется механическая волна
Любая механическая волна создается колеблющимся телом — источником волны. Осуществляя колебательное движение, источник волны деформирует ближайшие к нему слои среды (сжимает и растягивает их либо смещает). В результате возникают силы упругости, которые действуют на соседние слои среды и заставляют их осуществлять вынужденные колебания. Эти слои, в свою очередь, деформируют следующие слои и заставляют их колебаться. Постепенно, один за другим, все слои среды вовлекаются в колебательное движение — в среде распространяется механическая волна.
3. Различаем поперечные и продольные механические волны
Сравним распространение волны вдоль веревки (см. рис. 17.2) и в пружине (см. рис. 17.3).
Отдельные части веревки движутся (колеблются) перпендикулярно направлению распространения волны (на рис. 17.2 волна распространяется справа налево, а части веревки движутся вниз-вверх). Такие волны называют поперечными (рис. 17.5). При распространении поперечных волн происходит смещение одних слоев среды относительно других. Деформация смещения сопровождается возникновением сил упругости только в твердых телах, поэтому поперечные волны не могут распространяться в жидкостях и газах. Итак, поперечные волны распространяются только в твердых телах.
Рис. 17.5. В поперечной волне слои среды колеблются перпендикулярно направлению распространения волны
При распространении волны в пружине витки пружины движутся (колеблются) вдоль направления распространения волны. Такие волны называют продольными (рис. 17.6). Когда распространяется продольная волна, в среде происходят деформации сжатия и растяжения (вдоль направления распространения волны плотность среды то увеличивается, то уменьшается). Такие деформации в любой среде сопровождаются возникновением сил упругости. Поэтому продольные волны распространяются и в твердых телах, и в жидкостях, и в газах.
Рис. 17.6. В продольной волне слои среды колеблются вдоль направления распространения волны
Волны на поверхности жидкости не являются ни продольными, ни поперечными. Они имеют сложный продольно-поперечный характер, при этом частицы жидкости движутся по эллипсам. В этом легко убедиться, если бросить в море легкую щепку и понаблюдать за ее движением на поверхности воды.
4. Выясняем основные свойства волн
1. Колебательное движение от одной точки среды к другой передается не мгновенно, а с некоторым опозданием, поэтому волны распространяются в среде с конечной скоростью.
2. Источник механических волн — колеблющееся тело. При распространении волны колебания частей среды — вынужденные, поэтому частота колебаний каждой части среды равна частоте колебаний источника волны.
3. Механические волны не могут распространяться в вакууме.
4. Волновое движение не сопровождается переносом вещества — части среды всего лишь колеблются относительно положений равновесия.
5. С приходом волны части среды приходят в движение (приобретают кинетическую энергию). Это означает, что при распространении волны происходит перенос энергии.
Перенос энергии без переноса вещества — важнейшее свойство любой волны.
• Вспомните распространение волн по поверхности воды (рис. 17.7). Какие наблюдения подтверждают основные свойства волнового движения?
Рис. 17.7. К вопросу в § 17
5. Вспоминаем физические величины, характеризующие колебания
Волна — это распространение колебаний, поэтому физические величины, характеризующие колебания (частота, период, амплитуда), также характеризуют и волну. Итак, вспомним материал 7 класса:
6. Выясняем длину и скорость распространения волны
Вспомните распространение волны вдоль веревки. Пусть конец веревки осуществил одно полное колебание, то есть время распространения волны равно одному периоду (t = Τ). За это время волна распространилась на некоторое расстояние λ (рис. 17.8, а). Это расстояние называют длиной волны.
Рис. 17.8. Длина волны равна расстоянию, на которое распространяется волна за время одного колебания (это также расстояние между двумя ближайшими гребнями или двумя ближайшими впадинами)
Длина волны λ — расстояние, на которое распространяется волна за время, равное периоду Т:
где ν — скорость распространения волны.
Единица длины волны в СИ — метр:
Нетрудно заметить, что точки веревки, расположенные друг от друга на расстоянии одной длины волны, колеблются синхронно — имеют одинаковую фазу колебаний (рис. 17.8, б, в). Например, точки А и В веревки одновременно движутся вверх, одновременно достигают гребня волны, затем одновременно начинают двигаться вниз и т. д.
Если волна переходит из одной среды в другую, скорость ее распространения изменяется, а частота остается неизменной, поскольку частота определяется источником волны. Таким образом, согласно формуле ν = λν при переходе волны из одной среды в другую длина волны изменяется.
7. Учимся решать задачи
Задача. Поперечная волна распространяется вдоль шнура со скоростью 3 м/с. На рис. 1 показано положение шнура в некоторый момент времени и направление распространения волны. Считая, что сторона клетки равна 15 см, определите:
1) амплитуду, период, частоту и длину волны;
2) направление, в котором в данный момент времени движутся точки К, В и С шнура.
Рис. 1
Анализ физической проблемы, решение
Волна поперечная, поэтому точки шнура колеблются перпендикулярно направлению распространения волны (смещаются вниз-вверх относительно некоторых положений равновесия).
1) Из рис. 1 видим, что максимальное отклонение от положения равновесия (амплитуда А волны) равно 2 клеткам. Значит, А = 2 • 15 см = 30 см.
Расстояние между гребнем и впадиной — 60 см (4 клетки), соответственно расстояние между двумя ближайшими гребнями (длина волны) вдвое больше. Значит, λ = 2 • 60 см = 120 см = 1,2 м.
Частоту ν и период Т волны найдем, воспользовавшись формулой волны:
2) Чтобы выяснить направление движения точек шнура, выполним дополнительное построение. Пусть за небольшой интервал времени Δt волна сместилась на некоторое небольшое расстояние. Поскольку волна смещается вправо, а ее форма со временем не изменяется, точки шнура займут положение, показанное на рис. 2 пунктиром.
Рис. 2
Волна поперечная, то есть точки шнура движутся перпендикулярно направлению распространения волны. Из рис. 2 видим, что точка К через интервал времени Δt окажется ниже своего начального положения, следовательно, скорость ее движения направлена вниз; точка В переместится выше, следовательно, скорость ее движения направлена вверх; точка С переместится ниже, следовательно, скорость ее движения направлена вниз.
Ответ: А = 30 см; Т = 0,4 с; ν = 2,5 Гц; λ = 1,2 м; К и С — вниз, В — вверх.
Подводим итоги
Распространение колебаний в упругой среде называют механической волной. Механическую волну, в которой части среды колеблются перпендикулярно направлению распространения волны, называют поперечной; волну, в которой части среды колеблются вдоль направления распространения волны, называют продольной.
Волна распространяется в пространстве не мгновенно, а с некоторой скоростью. При распространении волны происходит перенос энергии без переноса вещества. Расстояние, на которое распространяется волна за время, равное периоду, называют длиной волны — это расстояние между двумя ближайшими точками, которые колеблются синхронно (имеют одинаковую фазу колебаний). Длина λ, частота ν и скорость ν распространения волны связаны формулой волны: ν = λν.
Контрольные вопросы
1. Дайте определение механической волны. 2. Опишите механизм образования и распространения механической волны. 3. Назовите основные свойства волнового движения. 4. Какие волны называют продольными? поперечными? В каких средах они распространяются? 5. Что такое длина волны? Как ее определяют? 6. Как связаны длина, частота и скорость распространения волны?
Упражнение № 17
1. Определите длину каждой волны на рис. 1.
Рис. 1
2. В океане длина волны достигает 270 м, а ее период равен 13,5 с. Определите скорость распространения такой волны.
3. Совпадают ли скорость распространения волны и скорость движения точек среды, в которой распространяется волна?
4. Почему механическая волна не распространяется в вакууме?
5. В результате взрыва, произведенного геологами, в земной коре распространилась волна со скоростью 4,5 км/с. Отраженная от глубоких слоев Земли, волна была зафиксирована на поверхности Земли через 20 с после взрыва. На какой глубине залегает порода, плотность которой резко отличается от плотности земной коры?
6. На рис. 2 изображены две веревки, вдоль которых распространяется поперечная волна. На каждой веревке показано направление колебаний одной из ее точек. Определите направления распространения волн.
Рис. 2
7. На рис. 3 изображено положение двух шнуров, вдоль которых распространяется волна, показано направление распространения каждой волны. Для каждого случая а и б определите: 1) амплитуду, период, длину волны; 2) направление, в котором в данный момент времени движутся точки А, В и С шнура; 3) количество колебаний, которые совершает любая точка шнура за 30 с. Считайте, что сторона клетки равна 20 см.
Рис. 3
8. Человек, стоящий на берегу моря, определил, что расстояние между соседними гребнями волн равно 15 м. Кроме того, он подсчитал, что за 75 с до берега доходит 16 волновых гребней. Определите скорость распространения волн.