Механические волны

Механические
волны – процесс распространения
механических колебаний в среде (жидкой,
твердой, газообразной).

Следует
запомнить, что механические волны
переносят энергию, форму, но не переносят
массу.

Важнейшей
характеристикой волны является скорость
ее распространения. Волны любой природы
не распространяются в пространстве
мгновенно, их скорость конечна.

Различают
два вида механических волн: поперечные
и продольные.

1.Поперечные
волны:

Волны
называются поперечными, если частицы
среды колеблются перпендикулярно
(поперек) лучу волны. Они существуют в
основном за счет сил упругости, возникающих
при деформации сдвига, а поэтому
существуют только в твердых средах.

На
поверхности воды возникают поперечные
волны, так как колеблется граница сред.

В
поперечных волнах различают горбы и
впадины.

Длина
поперечной волны — расстояние между
двумя ближайшими горбами или впадинами.

2.Продольные
волны:

Волны
называются продольными, если частицы
среды колеблются вдоль луча волны. Они
возникают за счет деформации сжатия и
напряжения, поэтому существуют во всех
средах.

В
продольных волнах различают зоны
сгущения и зоны разряжения.

Длина
продольной волны — расстояние между
двумя ближайшими зонами сгущения или
зонами разряжения.

Введем основные
понятия
,
которые необходимо знать для рассмотрения
волнового движения:

1)
Луч волны — направление распространения
волны;

2)
Волновой фронт (фронт волны) — геометрическое
место множества точек, до которых дошло
колебание к данному моменту времени;

3)
Волновая поверхность — геометрическое
место множества точек, колеблющихся в
одинаковой фазе. Луч волны всегда
перпендикулярен волновой поверхности;

4)
Длина волны — путь, пройденный волной
за период (или расстояние между точками,
колеблющимися с разностью фаз два пи).
Волновой процесс периодичен во времени
и пространстве (периодичность процесса
во времени характеризуется периодом;
периодичность процесса в пространстве
характеризуется длиной волны).

Если
же газ, жидкость или твердое тело
заполняет некоторую область пространства
(сплошная среда), то возникшие в одном
месте колебания распространяются по
всем направлениям. При этом общая картина
распространения волн остается прежней,
но имеются и некоторые особенности.

Общие
принципы, описывающие поведение волн,
впервые были выдвинуты современником
Ньютона, голландским ученым Христианом
Гюйгенсом:

1)
каждая точка среды, до которой дошло
колебание становится источником
вторичных волн;

2)
волновой фронт в новый момент времени
является огибающей вторичных волн.

Френель
уточнил второе положение: волновой
фронт в новый момент времени — результат
интерференции вторичных волн.

Законы
отражения волн от границы раздела двух
сред:

Первый
закон:
 луч
падающей волны, луч отраженной волны и
перпендикуляр, восстановленный в точке
падения к границе раздела сред, лежат
в одной плоскости.

Второй
закон:
угол
падения равен углу отражения.

На
границе раздела двух сред с различными
свойствами происходит не только отражение
волн, но и их преломление. Преломление —
изменение направления распространения
волны при переходе из одной среды в
другую.

Законы
преломления волн:

Первый
закон:
 падающий
луч, преломленный луч и перпендикуляр,
восстановленный в точке падения к
границе раздела сред, лежат в одной
плоскости.

Второй
закон:
 при
любых углах падения отношение синуса
угла падения к синусу угла преломления
для данный двух сред величина постоянная,
называемая относительным показателем
преломления второй среды относительно
первой. Относительный показатель
преломления показывает во сколько раз
скорость волны в первой среде больше
(или меньше) скорости волны во второй
среде.

*
При преломлении частота колебаний волн
не меняется.

Второй
закон отражения, как и второй закон
преломления, доказываются с помощью
принципа Гюйгенса.


Основными
свойствами волн являются:

1)
поглощение;

2)
рассеяние;

3)
отражение;

4)
преломление;

5)
интерференция;

6)
дифракция;

7)
дисперсия;

8)
поляризация.

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

Рассмотрим
некоторые свойства волн более подробно:

1.Образование
стоячих волн

При
наложении прямой и отраженной бегущих
волн возникает стоячая волна. Она
называется стоячей, так как, во-первых,
узлы и пучности в пространстве не
перемещаются, во-вторых, она не переносит
энергию в пространстве.

Стоячая
волна образуется устойчивая, если на
длине L укладывается целое число полуволн.

Любое
упругое тело (например, струна) при
свободных колебаниях имеет основной
тон и обертоны. Чем больше обертонов
имеет упругое тело, тем красивее оно
звучит.

Примеры
применения стоячих волн:


духовые музыкальные инструменты (орган,
труба)


струнные музыкальные инструменты
(гитара, пианино, скрипка)


камертоны

2.Интерференция
волн

Интерференция
волн — устойчивое распределение с
течением времени амплитуды колебаний
в пространстве при наложении когерентных
волн.

Примечание. Волны
можно считать когерентными, если:


они имеют одинаковые частоты;


сдвиг по фазе волн, пришедших в данную
точку, величина постоянная, то есть не
зависит от времени.

В
данной точке при интерференции наблюдается
минимум, если разность хода волн равна
нечетному числу полуволн.

В
данной точке при интерференции наблюдается
максимум, если разность хода волн равна
четному количеству полуволн или целому
числу длин волн.

При
интерференции происходит перераспределение
энергии волн, то есть в точку минимума
она почти не поступает, а в точку максимума
её поступает больше.

3.Дифракция
волн.

Волны
способны огибать препятствия. Так,
морские волны свободно огибают выступающий
из воды камень, если его размеры меньше
длины волны или сравнимы с ней. За камнем
волны распространяются так, как если
бы его не было совсем. Точно так же волна
от брошенного в пруд камня огибает
торчащий из воды прутик. Только за
препятствием большого, по сравнению с
длиной волны, размера образуется «тень»:
волны за препятствие не проникают.

Способностью
огибать препятствия обладают и звуковые
волны. Вы можете слышать сигнал машины
за углом дома, когда самой машины не
видно. В лесу деревья заслоняют ваших
товарищей. Чтобы их не потерять, вы
начинаете кричать. Звуковые волны, в
отличие от света, свободно огибают
стволы деревьев и доносят ваш голос до
товарищей.

итак, ДИФРАКЦИЯ —
явление нарушения закона прямолинейного
распространения волн в однородной среде
или огибание препятствий волнами.

На
пути волны экран с щелью:

Длина
щели много больше длины волны. Дифракция
не наблюдается.

Длина
щели соизмерима с длиной волны.
Дифракция наблюдается.

На
пути волны преграда:

Размер
преграды много больше длины волны.
Дифракция не наблюдается.

Размер
преграды соизмерим с длиной волны.
Дифракция наблюдается (волна огибает
препятствие).

УСЛОВИЕ
НАБЛЮДЕНИЯ ХОРОШЕЙ ДИФРАКЦИИ
:
длина волны соизмерима с размерами
препятствия, щели или преграды.

Leave a Comment