"Физика (базовый уровень)", Касьянов В.А.
Механическая волна — это распространяющееся в упругой среде возмущение, которое передаёт энергию от одной части среды к другой. Частицы при этом не путешествуют вслед за волной, а колеблются около своих положений равновесия. По направлению этих колебаний различают поперечные и продольные волны. Скорость волны зависит от свойств среды и показывает, какое расстояние проходит возмущение за единицу времени.
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. Упругая среда способна передавать возмущение благодаря взаимодействию своих частиц. Волна нужна для переноса энергии от места возникновения колебаний в другие области, но вещество вместе с ней не переносится.
Поперечная волна — волна, в которой частицы среды колеблются перпендикулярно направлению распространения. Например, при волне на натянутой верёвке её участки движутся вверх и вниз, тогда как возмущение идёт вдоль верёвки. Это определение помогает определить тип волны, сравнив два направления.
Продольная волна — волна, в которой частицы среды колеблются вдоль направления распространения. В среде при этом возникают чередующиеся сгущения и разрежения, например при распространении звука в воздухе. По этому признаку продольную волну можно отличить от поперечной.
Скорость распространения волны — расстояние, на которое перемещается возмущение среды за единицу времени; её обозначают буквой v. Если волна проходит расстояние s за время t, скорость вычисляют по формуле v = s / t. Эта величина показывает, насколько быстро возмущение распространяется в данной среде.
Когда одна частица упругой среды начинает колебаться, она взаимодействует с соседними и передаёт им часть своего движения. Соседние частицы, в свою очередь, воздействуют на следующие, поэтому возмущение постепенно распространяется дальше. Упругость позволяет частицам возвращаться к равновесию после отклонения, а связь между частицами обеспечивает передачу колебаний. Без взаимодействия частей среды локальное колебание не смогло бы стать волной.
Частицы не уносятся волной, потому что силы упругости возвращают их к положениям равновесия, а колебание повторяется около этих положений. При этом каждая частица воздействует на соседнюю, и возмущение передаётся дальше по среде. Так распространяется энергия, полученная от источника колебаний. Поэтому поплавок на поверхности воды может качаться, но не обязан перемещаться вместе с волной на большое расстояние.
Чтобы определить тип волны, нужно отдельно указать направление движения возмущения и направление колебаний частиц. Если эти направления взаимно перпендикулярны, волна поперечная; если совпадают или противоположны — продольная. В поперечной волне форма возмущения напоминает гребни и впадины, а в продольной возникают чередующиеся сгущения и разрежения. Сравнение направлений надёжнее, чем попытка определить тип только по внешнему виду волны.
Для поперечной волны части среды должны смещаться относительно соседних, а среда должна сопротивляться такому сдвигу. Твёрдые тела обладают упругостью при сдвиге, поэтому могут передавать поперечные колебания. Жидкости и газы в обычных условиях не сопротивляются сдвигу так, как твёрдые тела, поэтому объёмные поперечные волны в них не распространяются. Продольные волны связаны со сжатием и разрежением, а эти изменения возможны в твёрдых телах, жидкостях и газах.
Скорость волны определяется свойствами среды: например, тем, насколько легко она деформируется и какова её плотность. Для равномерно распространяющегося возмущения скорость находят, разделив пройденное расстояние на время: v = s / t. Из этой связи также следуют формулы s = vt и t = s / v. При сравнении волн важно помнить, что одна и та же среда может передавать возмущение с разной скоростью в зависимости от своих свойств и состояния.
В таблице сравниваются признаки, по которым удобно различать два типа волн. Сначала определи направление распространения возмущения, затем сравни его с направлением колебаний частиц. Последние строки помогают соотнести тип волны с наблюдаемым явлением и средой.
| Признак | Поперечная волна | Продольная волна |
|---|---|---|
| Направление колебаний частиц относительно распространения волны | Перпендикулярно | Вдоль направления распространения |
| Как выглядит возмущение среды | Чередование гребней и впадин | Чередование сгущений и разрежений |
| В каких средах распространяется | В твёрдых телах, способных сопротивляться сдвигу | В твёрдых телах, жидкостях и газах |
| Пример | Волна по натянутой верёвке | Звук в воздухе |
По натянутой верёвке распространяется волна. Определите, как направлены колебания частиц верёвки относительно направления распространения волны. Нужно сопоставить движение возмущения вдоль верёвки с движением её участков. Это позволит выбрать между поперечной и продольной волной.
Ответ: частицы колеблются перпендикулярно направлению распространения волны.
Возмущение прошло по шнуру 12 м за 3 с. Найдите скорость его распространения. Здесь известны расстояние, пройденное именно возмущением, и время его движения. Скорость частиц шнура для решения не требуется: они колеблются около положений равновесия.
Ответ: скорость распространения возмущения равна 4 м/с.
Звук распространяется в воздухе со скоростью 340 м/с. Через какое время он достигнет стены, находящейся в 170 м от источника? В условии дана скорость распространения звуковой волны, а не скорость колеблющихся частиц воздуха. Чтобы найти время, нужно расстояние до стены разделить на скорость волны.
Ответ: звук достигнет стены через 0,5 с.
Ошибка — считать, что частицы среды перемещаются вместе с волной. Так кажется, потому что возмущение движется по среде, но отдельные частицы лишь колеблются около равновесия. Проверь себя: проследи за одной частицей, а не за формой волны. Если она возвращается примерно к исходному месту, переносится энергия, а не вещество.
Ошибка — путать направление волны с направлением колебаний частиц и из-за этого неверно называть тип волны. Её допускают, когда рассматривают только общий вид возмущения и не сравнивают направления отдельно. Проверь себя: сначала нарисуй стрелку распространения, затем стрелку движения частицы. Перпендикулярные стрелки указывают на поперечную волну, параллельные — на продольную.
Ошибка — утверждать, что поперечные волны распространяются в любой среде. Для них среда должна сопротивляться сдвигу, поэтому объёмные поперечные волны распространяются в твёрдых телах, но не в жидкостях и газах. Ошибка возникает из-за того, что разные волны на поверхности жидкости могут выглядеть поперечными. Проверь себя: уточни, о какой среде и о каком виде распространения идёт речь.
Ошибка — считать, что скорость волны определяется только источником. Источник задаёт колебания, но скорость распространения зависит и от свойств среды, через которую идёт волна. Это путают, смешивая скорость движения источника с движением возмущения. Для проверки отдели эти величины и используй v = s / t для волны, учитывая, в какой среде она распространяется.
Для понимания волн нужны знания о механических колебаниях: частица среды отклоняется от положения равновесия и возвращается к нему. Период и частота описывают, насколько быстро повторяются колебания, а длина волны связывает колебания с расстоянием между одинаковыми состояниями соседних участков среды. Эти понятия помогают описывать волну не только по её распространению, но и по её ритму и пространственной структуре. Знание механических волн пригодится при изучении звука и других волновых явлений.
Перемещаются ли частицы среды вместе с волной?
Нет. Частицы среды колеблются около своих положений равновесия и передают возмущение соседним частицам. Вместе с волной по среде распространяется энергия, а не сами частицы.
Чем поперечная волна отличается от продольной?
В поперечной волне частицы колеблются перпендикулярно направлению распространения волны. В продольной волне они колеблются вдоль этого направления.
Почему волна переносит энергию, но не вещество?
Колеблющаяся частица взаимодействует с соседними и передаёт им часть возмущения и энергии. Сама она при этом лишь движется около положения равновесия, а не проходит весь путь волны.
В каких средах могут распространяться поперечные волны?
Для распространения поперечной волны среда должна сопротивляться сдвигу. Таким свойством обладают твёрдые тела, поэтому поперечные волны распространяются в них.
От чего зависит скорость распространения волны?
Скорость зависит от свойств среды, в частности от её упругости и плотности. Для расчёта скорости на известном участке используют формулу v = s / t, где s — пройденное расстояние, а t — время.
§ 50. Распространение волн в упругой среде
