"Физика (базовый уровень)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.
Механическая волна — это распространяющееся в упругой среде возмущение, которое переносит энергию, но не уносит вещество на большие расстояния. Волны возникают, когда колеблющийся источник передаёт движение соседним частицам среды. По направлению колебаний различают продольные и поперечные волны. Зная частоту и скорость распространения, можно найти длину волны по формуле λ = v/ν и описать её основные свойства.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Механическая волна — распространение колебаний в упругой среде с переносом энергии, но без переноса вещества на большие расстояния. Упругая среда — вещество, частицы которого взаимодействуют и способны возвращаться к равновесному состоянию. Это определение помогает отличить волну от движения отдельного тела: возмущение уходит дальше, а частицы остаются около своих мест.
Источник волны — тело или частица, совершающие колебания и создающие возмущение в окружающей среде. Например, если колеблется конец шнура, он приводит в движение ближайшие участки, а затем возмущение распространяется дальше. Понятие источника нужно, чтобы понимать, откуда начинается волна и чем задаются исходные колебания.
Продольная волна — волна, в которой частицы среды колеблются вдоль направления распространения волны. При этом в среде возникают участки сжатия и разрежения, как в воздухе при распространении звука. По направлению колебаний можно распознать такой тип волны и понять, как именно деформируется среда.
Поперечная волна — волна, в которой частицы среды колеблются перпендикулярно направлению распространения волны. Так, при движении волны по натянутому шнуру его участки могут смещаться вверх и вниз, пока волна идёт вдоль шнура. Это определение позволяет отличить поперечные колебания от продольных и оценить, может ли среда поддерживать такую волну.
Колебание источника сначала изменяет положение ближайших частиц среды. Эти частицы взаимодействуют с соседними и передают им возмущение, поэтому процесс шаг за шагом охватывает всё более удалённые участки. Так возникает распространение волны, хотя ни одна частица не обязана пройти путь от источника до наблюдателя.
Во время прохождения волны частицы отклоняются от положения равновесия, а затем возвращаются и колеблются около него. Причина в том, что взаимодействие частиц передаёт энергию и движение, но не заставляет всю среду перемещаться вслед за возмущением. Поэтому, например, поплавок на воде может качаться при проходе волны, не уплывая вместе с ней на большое расстояние.
В продольной волне соседние частицы сближаются и удаляются друг от друга. Из-за этого вдоль среды поочерёдно появляются сжатые и разреженные области. Продольные деформации возможны в газах, жидкостях и твёрдых телах, поэтому такие волны способны распространяться во всех этих средах.
В поперечной волне частицы смещаются в сторону, перпендикулярную распространению возмущения. Для этого участки среды должны передавать друг другу сдвиговое воздействие, то есть сопротивляться сдвигу. Твёрдые тела обладают таким свойством, а жидкость может поддерживать поперечное распространение у своей поверхности, поэтому нельзя считать, что такая волна идёт в любой среде.
Скорость волны зависит от свойств среды, в которой она распространяется. За один период колебаний T волна проходит расстояние в одну длину волны λ; частота ν показывает число колебаний за секунду, а ν = 1/T. Поэтому скорость можно записать как v = λν, а длину волны найти по формуле λ = v/ν; если частота больше, то при неизменной скорости длина волны меньше.
| Характеристика | Продольная волна | Поперечная волна |
|---|---|---|
| Направление колебаний частиц относительно распространения волны | Вдоль направления распространения | Перпендикулярно направлению распространения |
| Как проявляется деформация среды | Чередуются сжатия и разрежения | Участки среды смещаются поперёк распространения |
| В каких средах распространяется | В газах, жидкостях и твёрдых телах | В твёрдых телах и на поверхности жидкостей |
| Пример | Звук в воздухе | Волна на натянутом шнуре |
Чтобы определить тип волны, сначала установите направление её распространения, а затем сравните с ним направление колебаний частиц. Не ориентируйтесь только на форму волны: главное различие — взаимное направление этих движений. Строка о среде показывает, где данный тип волны может распространяться.
Задача 1. Вдоль натянутого шнура распространяется волна со скоростью 12 м/с и частотой 3 Гц. Найдите длину волны.
Задача 2. Звук распространяется в воздухе со скоростью 340 м/с. Определите длину звуковой волны частотой 680 Гц и укажите, что колеблется в воздухе.
Задача 3. Источник совершает 5 колебаний за 2 с. Волна распространяется со скоростью 15 м/с; частицы среды колеблются перпендикулярно направлению распространения. Найдите частоту, период и длину волны, определите её тип.
Первая ошибка — считать, что волна уносит частицы среды вместе с собой. Так думают, потому что наблюдают перемещение возмущения, но частицы обычно лишь колеблются около равновесия. Проверьте себя мысленно: если волна проходит по поверхности воды, переносится ли с ней поплавок на большое расстояние? Обычно он только качается, а энергия волны распространяется.
Вторая ошибка — путать направление распространения волны с направлением колебаний частиц. Это происходит, когда смотрят на движение волны и не отслеживают, как движутся отдельные участки среды. Для проверки отдельно назовите оба направления: совпадают — волна продольная, перпендикулярны — поперечная.
Третья ошибка — считать, что поперечная механическая волна распространяется в любой среде. Условие её распространения — способность среды сопротивляться сдвигу, и это свойство есть не у всех сред. Проверьте ответ по типу среды: поперечные волны возможны в твёрдых телах и на поверхности жидкостей, но не распространяются в объёме газа так же, как продольные.
Четвёртая ошибка — подставлять период вместо частоты в формулу λ = v/ν. Причина в том, что обе величины описывают время колебаний, хотя частота показывает число колебаний за секунду, а период — время одного колебания. Если дана величина T, сначала вычислите ν = 1/T; затем проверьте единицы и используйте частоту в герцах.
Для изучения волн нужны знания о механических колебаниях: период T — время одного колебания, а частота ν — число колебаний за секунду. Между ними связь ν = 1/T, поэтому понимание этих величин помогает рассчитывать длину и скорость волны. Представление о механических волнах пригодится при изучении звука, его распространения и характеристик: звук передаётся в среде как волновое возмущение.
Чем механическая волна отличается от колебания отдельного тела?
Отдельное тело колеблется около положения равновесия, а волна распространяет такие колебания от частицы к частице по среде. Поэтому волна охватывает всё новые точки и переносит энергию.
Переносит ли волна вещество?
Обычно нет: частицы среды колеблются около своих положений равновесия, но не движутся вместе с волной на большие расстояния. По среде распространяется энергия.
Как определить, является ли волна продольной или поперечной?
Нужно сравнить направление колебаний частиц с направлением распространения волны. Если они совпадают, волна продольная; если перпендикулярны — поперечная.
Почему звук в воздухе является продольной волной?
При распространении звука частицы воздуха колеблются вдоль направления движения волны. Их движение создаёт чередующиеся области сжатия и разрежения.
Как связаны скорость волны, её длина и частота?
За один период волна проходит расстояние, равное одной длине волны, поэтому v = λν. Здесь v — скорость, λ — длина волны, а ν — частота.
1. Механические волны
