"Физика (базовый уровень)", Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М. / Под ред. Парфентьевой Н.А.
Механическая волна — распространяющееся в упругой среде возмущение, которое передаёт энергию, но не уносит с собой частицы вещества. Колебание одного участка передаётся соседним благодаря взаимодействию частиц. По направлению колебаний различают поперечные и продольные волны. Их распространение характеризуют скоростью и длиной волны: за один период волна проходит расстояние λ = vT. Эти понятия помогают описывать звук и другие волновые процессы.
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. При этом передаётся энергия, но частицы среды не переносятся вместе с волной на значительное расстояние. Это определение помогает отличать движение волны от движения вещества.
Поперечная волна — волна, в которой частицы среды колеблются перпендикулярно направлению распространения. Такие волны распространяются в твёрдых телах, поскольку их частицы могут смещаться поперёк направления возмущения и взаимодействуют с соседними. Направления колебаний и движения волны здесь легко различить.
Продольная волна — волна, в которой частицы колеблются вдоль направления распространения. Из-за этого участки среды попеременно уплотняются и разрежаются. Такое описание позволяет узнавать продольную волну, даже если колебания частиц нельзя увидеть непосредственно.
Длина волны обозначается греческой буквой λ и равна расстоянию, на которое волна распространяется за период колебаний T. Если скорость волны равна v, то λ = vT. Длина волны нужна, чтобы сравнивать волны и связывать их пространственные характеристики со временем и скоростью.
Представь, что один участок упругой среды начали колебать. Он взаимодействует с соседними частицами и отклоняет их от равновесия, а те воздействуют на следующие участки. Поэтому возмущение распространяется дальше, хотя сама среда не течёт вслед за ним. Упругость помогает частицам возвращаться к равновесию, а взаимодействие между ними передаёт колебание.
Частица, отклонившись, действует на соседние частицы и затем возвращается, поэтому её движение повторяется около положения равновесия. В то же время соседние частицы начинают колебаться не одновременно: возмущение последовательно доходит до всё более удалённых участков. Так энергия переходит от частицы к частице, а не переносится одной и той же частицей через всю среду.
Чтобы определить тип волны, сравни направление колебаний частиц с направлением движения возмущения. Если они перпендикулярны, волна поперечная и среда образует смещения, похожие на гребни и впадины. Если направления совпадают, волна продольная: вместо гребней возникают чередующиеся сжатые и разреженные участки. В твёрдых телах возможны оба типа волн, а в газах и жидкостях распространяются продольные механические волны.
Скорость распространения показывает, как быстро волна проходит расстояние в среде, но не описывает скорость колебаний отдельной частицы. Скорость волны определяется свойствами среды: её упругостью и плотностью. Если изменить амплитуду колебаний источника, возмущение может стать сильнее, но скорость распространения в той же среде от этого не задаётся. Поэтому для волн в разных средах скорость может различаться.
За один период T источник успевает совершить одно полное колебание, и за это же время волна проходит расстояние, равное одной длине волны. Значит, длина волны равна скорости, умноженной на время: λ = vT. Поскольку частота ν связана с периодом соотношением ν = 1/T, формулу можно записать и так: v = λν. В поперечной волне одинаковой фазе соответствуют, например, соседние гребни, а в продольной — соседние сжатия.
| Признак | Поперечная волна | Продольная волна |
|---|---|---|
| Направление колебаний частиц относительно распространения волны | Перпендикулярно | Вдоль направления распространения |
| Как выглядит возмущение среды | Смещения, похожие на гребни и впадины | Чередование сжатий и разрежений |
| В каких средах распространяется | В твёрдых телах | В твёрдых телах, жидкостях и газах |
| Пример | Волна в натянутой струне | Звук в воздухе |
Сначала установи направление распространения волны, а затем сравни с ним направление колебаний частиц. Так проще определить тип волны, даже если её изображение непривычно. Последние две строки таблицы помогают проверить ответ по свойствам среды и примеру.
Задача 1. В упругой среде частицы колеблются с периодом 0,02 с, скорость волны равна 150 м/с. Найдите длину волны.
Ответ: длина волны равна 3 м. Проверка здравого смысла: за 0,02 с волна со скоростью 150 м/с должна пройти несколько метров.
Задача 2. Волна распространяется со скоростью 340 м/с, а расстояние между соседними одинаковыми фазами равно 0,68 м. Найдите частоту колебаний.
Ответ: частота равна 500 Гц. Единица герц означает одно колебание в секунду.
Задача 3. Продольная волна проходит 1,2 км за 4 с. Расстояние между соседними сжатиями среды равно 0,8 м. Определите скорость волны, длину волны и частоту.
Ответ: скорость волны — 300 м/с, длина волны — 0,8 м, частота — 375 Гц. Сначала удобно найти скорость непосредственно по пути и времени, а затем использовать параметры волны.
Ошибка — считать, что частицы среды движутся вместе с волной. Так думают, потому что на рисунке возмущение перемещается, но частица лишь отклоняется и возвращается около равновесия. Проверь себя: если бы вещество переносилось вместе с волной, частицы уходили бы далеко от исходных положений. Волна передаёт энергию, а не уносит среду целиком.
Поперечную и продольную волны иногда путают, представляя направление распространения по направлению колебаний. Сравнивай эти направления отдельно: у поперечной волны они перпендикулярны, у продольной — совпадают. Для проверки представь сжатие и разрежение воздуха: частицы движутся вдоль направления, в котором распространяется звук.
Не всякое расстояние между соседними частицами является длиной волны. Ошибка возникает, когда пространственную близость принимают за одинаковую фазу колебаний. Сверь состояния частиц: λ — расстояние между ближайшими точками, колеблющимися одинаково, например между соседними гребнями или сжатиями.
Скорость волны нельзя отождествлять со скоростью колебательного движения частиц или связывать с амплитудой источника. Эти величины описывают разные процессы: волна распространяется по среде, а частицы движутся около равновесия. Проверь решение по смыслу: скорость распространения задаётся свойствами среды, а в расчётах λ = vT используй именно её.
Для изучения волн нужны понятия колебания, периода и частоты, а также представление об упругой среде. Звук в газах и жидкостях — продольная механическая волна, поэтому описание сжатий и разрежений объясняет его распространение. Понятия длины волны и скорости пригодятся при изучении интерференции, дифракции и стоячих волн. В этих темах важно учитывать, как волны складываются и соотносятся по фазе.
Переносят ли волны сами частицы среды?
Нет, частицы не движутся вместе с волной на значительное расстояние. Они колеблются около своих положений равновесия, а по среде распространяется возмущение и переносится энергия.
Чем поперечная волна отличается от продольной?
В поперечной волне частицы колеблются перпендикулярно направлению распространения волны. В продольной волне колебания направлены вдоль распространения, поэтому возникают чередующиеся сжатия и разрежения.
Почему звук в воздухе является продольной волной?
При распространении звука частицы воздуха колеблются вдоль направления движения волны. Они то сближаются, создавая сжатия, то удаляются друг от друга, образуя разрежения.
Как найти длину волны, если известны скорость и период?
Нужно умножить скорость распространения на период: λ = vT. Скорость следует выразить в метрах в секунду, а период — в секундах; результат получится в метрах.
От чего зависит скорость распространения волны?
Скорость определяется свойствами упругой среды, например её плотностью и упругостью. Она не задаётся амплитудой колебаний источника и не равна скорости движения частиц при колебаниях.
§ 46. Распространение волн в упругих средах
