"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 переносит вещество целиком. Волны возникают, когда колебания одного участка среды передаются соседним. Они бывают поперечными и продольными: различие определяется направлением колебаний частиц. Звук — механическая волна, которую воспринимает слух; для его распространения нужна среда. Понимание связи скорости, частоты и длины волны помогает объяснять звучание и решать практические задачи.
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, то есть в веществе, частицы которого взаимодействуют и могут возвращаться к равновесию. Волна передаёт энергию от участка к участку, но не уносит вещество целиком. Это понятие помогает отличать движение возмущения от движения самих частиц.
Поперечная волна — волна, в которой частицы среды колеблются перпендикулярно направлению распространения. Например, если волна движется вдоль натянутой верёвки, её точки могут двигаться вверх и вниз. Такая волна распространяется в твёрдых телах, способных сопротивляться сдвигу.
Продольная волна — волна, в которой частицы колеблются вдоль направления распространения. Частицы то сближаются, то удаляются друг от друга, поэтому возникают чередующиеся сгущения и разрежения среды. По этому признаку удобно распознавать продольную волну, например в воздухе.
Звуковая волна — механическая волна, воспринимаемая человеческим слухом. Для человека слышимая частота обычно находится примерно в диапазоне от 20 до 20 000 Гц, хотя границы зависят от возраста и особенностей слуха. Поскольку звук механический, он распространяется только в материальной среде, а не в вакууме.
Если участок упругой среды отклонить от равновесия, он начинает колебаться и взаимодействует с соседними участками. Соседние частицы приходят в движение не мгновенно: воздействие передаётся от одной к другой благодаря их связям. Так возмущение постепенно удаляется от источника, хотя ни одна частица не обязана перемещаться вслед за ним на большое расстояние. Без среды передавать колебание нечему, поэтому механическая волна не распространяется в вакууме.
Частица, получившая возмущение, смещается от положения равновесия, а затем под действием сил возвращается и колеблется около него. При этом она передаёт часть энергии соседним частицам, и те начинают колебаться следующими. Поэтому через среду проходит волновой процесс, а не поток её вещества. Например, поплавок на воде может качаться вверх-вниз, пока волна движется мимо него.
Длина волны λ — расстояние, на которое волна распространяется за один период T колебаний. За период источник совершает одно полное колебание, поэтому λ = vT; так как частота ν равна числу колебаний за секунду и T = 1/ν, получаем λ = v/ν. Частота задаётся источником, а скорость определяется свойствами среды. Значит, при переходе волны в другую среду частота сохраняется, но скорость и длина волны могут измениться.
В поперечной волне частицы движутся поперёк направления передачи возмущения, а в продольной — вдоль него. Для поперечного движения нужна способность среды сопротивляться сдвигу, поэтому такие волны распространяются в твёрдых телах. Продольная волна создаёт сжатия и разрежения: частицы могут сближаться и расходиться, что возможно не только в твёрдых телах, но и в жидкостях и газах. Звук в воздухе, например, является продольной волной.
Источник звука — колеблющееся тело, например струна или мембрана громкоговорителя. Оно попеременно сжимает и разрежает прилегающие слои воздуха, и эти изменения давления передаются дальше к слуховому аппарату. Частота колебаний источника определяет высоту звука: чем она больше, тем звук выше. Амплитуда колебаний влияет на громкость: при большей амплитуде волна обычно звучит громче.
В таблице сопоставлены признаки, по которым различают два основных типа механических волн. Сначала определите направление движения частиц, затем проверьте, как выглядит возмущение и в какой среде оно возможно. Формула в последней строке подходит для обоих типов волн.
| Характеристика | Поперечная волна | Продольная волна |
|---|---|---|
| Направление колебаний частиц относительно распространения волны | Перпендикулярно направлению распространения | Вдоль направления распространения |
| Как выглядит возмущение среды | Соседние частицы смещаются поперёк движения волны | Чередуются сгущения и разрежения среды |
| В каких средах распространяется | В твёрдых телах | В твёрдых телах, жидкостях и газах |
| Пример | Волна вдоль натянутой верёвки | Звук в воздухе |
| Как связана длина волны со скоростью и частотой | λ = v/ν | λ = v/ν |
Задача 1. Волна распространяется со скоростью 6 м/с, а частота колебаний источника равна 3 Гц. Найдём длину волны. Известны скорость v и частота ν, поэтому используем связь λ = v/ν.
Задача 2. Звук в воздухе распространяется со скоростью 340 м/с. Определим, какое расстояние волна пройдёт за 0,5 с. Здесь требуется путь за заданное время, поэтому применяем формулу равномерного движения s = vt.
Задача 3. Эхо вернулось через 2 с после крика. Скорость звука равна 340 м/с; найдём расстояние до препятствия. Отражённый звук проходит путь до препятствия и обратно, поэтому заданное время относится к обоим участкам пути.
Ошибка — считать, что волна уносит частицы среды вместе с собой. Такое впечатление возникает, потому что возмущение перемещается, а отдельные частицы совершают заметные движения. Проверьте себя: проследите за одной частицей — она колеблется около равновесия, тогда как волна проходит мимо неё и передаёт энергию дальше.
Ошибка — путать направление колебаний частиц с направлением распространения волны. Их могут считать одним направлением, потому что в обоих случаях описывают движение. Чтобы проверить тип волны, сравните эти направления: перпендикулярность означает поперечную волну, совпадение вдоль линии распространения — продольную.
Ошибка — полагать, что звук распространяется в вакууме. Иногда это предположение возникает из-за того, что мы слышим звук на расстоянии, не замечая воздух между источником и слушателем. Проверьте себя: звук является механической волной, а значит, нуждается в частицах среды, которые передают колебания.
Ошибка — в задаче об эхе считать время только временем пути до препятствия. Так рассуждают, не учитывая, что звук должен вернуться к слушателю, и получают расстояние вдвое больше правильного. Нарисуйте путь туда и обратно или разделите произведение скорости на полное время пополам.
Для понимания волн нужны знания о колебаниях, периоде и частоте: волна возникает, когда колебания источника передаются среде. При решении задач также пригодится умение находить скорость по расстоянию и времени. Освоенные здесь понятия помогают изучать электромагнитные волны и оптику, сравнивая разные способы распространения возмущений. Идеи о частоте, скорости и передаче сигнала применяются и при изучении связи.
Почему волна распространяется, если частицы среды не движутся вместе с ней?
Колеблющиеся частицы взаимодействуют с соседними и передают им возмущение. Поэтому энергия и форма волны распространяются дальше, а частицы лишь колеблются около своих положений равновесия.
Чем поперечная волна отличается от продольной?
В поперечной волне частицы колеблются перпендикулярно направлению распространения. В продольной — вдоль него, поэтому в среде чередуются сгущения и разрежения.
Может ли звук распространяться в вакууме?
Нет. Звук является механической волной, а для передачи колебаний необходимы взаимодействующие частицы среды. В вакууме таких частиц нет.
От чего зависят скорость и длина звуковой волны?
Скорость звука определяется свойствами среды, например её упругостью и плотностью. Частоту задаёт источник звука, а длина волны связана с ними формулой λ = v/ν.
Почему эхо позволяет определить расстояние до препятствия?
Звук отражается от препятствия и возвращается к слушателю, поэтому измеренное время включает путь туда и обратно. Умножив скорость звука на это время и разделив результат пополам, находят расстояние до препятствия.
§ 10. Механические волны. Звук
