"Физика (базовый уровень)", Мякишев Г.Я., Петрова М.А. и др.
Механическая волна — это распространение колебаний в упругой среде, при котором передаётся энергия, но вещество не уходит далеко от исходного положения. Волны бывают продольными и поперечными: различие определяется направлением колебаний частиц. Звук — механическая волна, которую воспринимает слух. Для описания волн используют длину волны, частоту, период и скорость, связанные формулой v = λν.
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 возвращается к исходному состоянию после небольшого смещения частиц. Это понятие нужно, чтобы отличать волну от движения отдельного тела.
Продольная и поперечная волны различаются направлением колебаний частиц относительно направления распространения. В продольной волне частицы движутся вдоль распространения, а в поперечной — перпендикулярно ему. Такое различие помогает определить тип волны и понять, в какой среде она может существовать.
Длина волны λ — расстояние, на которое волна распространяется за один период T. Поэтому λ = vT, где v — скорость волны; с учётом ν = 1/T получаем v = λν. Длина волны показывает расстояние между ближайшими одинаково колеблющимися точками, например соседними сгущениями.
Звуковая волна — механическая волна, воспринимаемая слухом. Обычно человек слышит звуки с частотами примерно от 16–20 Гц до 20 кГц. Частоты ниже этого диапазона называют инфразвуком, а выше — ультразвуком; оба явления также связаны с механическими колебаниями.
Если один участок упругой среды начинает колебаться, он действует на соседние участки. Между частицами возникают силы взаимодействия, поэтому смещение постепенно передаётся дальше. Каждый следующий участок начинает колебаться с некоторым запаздыванием, и так возникает распространяющаяся волна.
При прохождении волны частицы среды не летят вместе с её фронтом. Сначала частица отклоняется от положения равновесия, затем возвращается и передаёт действие соседним частицам. Благодаря этому энергия движения и деформации переходит от участка к участку, а сами частицы совершают колебания около своих положений.
В продольной волне чередуются сгущения и разрежения среды: частицы сближаются, а затем удаляются друг от друга. В поперечной волне частицы смещаются в сторону, перпендикулярную распространению, поэтому образуются гребни и впадины. В газах и жидкостях нет устойчивой формы, сохраняющей поперечное смещение, поэтому обычные звуковые волны в них продольные.
За один период T волна проходит одну длину волны λ, поэтому её скорость равна v = λ/T. Так как ν = 1/T, ту же связь записывают как v = λν. Скорость задаётся прежде всего свойствами среды: её упругостью, плотностью и температурой, а не только характеристиками источника.
Звук возникает, когда источник создаёт колебания частиц среды, например при колебании струны или мембраны. Эти колебания образуют чередующиеся изменения давления и плотности, которые распространяются от источника. В вакууме частиц для передачи таких изменений нет, поэтому механический звук там не распространяется.
| Свойство | Продольная волна | Поперечная волна |
|---|---|---|
| Направление колебаний частиц относительно распространения волны | Вдоль направления распространения | Перпендикулярно направлению распространения |
| Что происходит в среде при прохождении волны | Возникают сгущения и разрежения | Возникают гребни и впадины или поперечные смещения |
| В каких средах может распространяться | В газах, жидкостях и твёрдых телах | В твёрдых телах и на поверхности жидкостей |
| Пример | Звуковая волна в воздухе | Волна на натянутой струне |
Сначала определите направление распространения волны, а затем сравните с ним движение частиц. Таблица особенно полезна при анализе рисунка или описания процесса. Для звука в воздухе выбирайте продольную волну, поскольку в газе передаются сгущения и разрежения.
Волна распространяется со скоростью 340 м/с и имеет частоту 170 Гц. Нужно найти длину волны. Используем формулу v = λν, потому что известны скорость и частота.
Ответ: длина волны равна 2 м.
Расстояние между соседними сгущениями воздуха равно 0,8 м, а скорость звука составляет 320 м/с. Соседние сгущения находятся на расстоянии одной длины волны, значит λ = 0,8 м. Требуется найти частоту звука.
Ответ: частота звука равна 400 Гц.
Звук прошёл от источника до наблюдателя за 2,4 с со скоростью 1500 м/с. Расстояние найдём по формуле равномерного движения s = vt. Изменение среды могло бы изменить результат, потому что скорость звука в разных средах различна.
Ответ: расстояние до источника равно 3600 м; в другой среде оно могло бы измениться из-за другой скорости звука.
Переносить частицы вместе с волной. Так считают, потому что видимое перемещение возмущения напоминает поток вещества. Проверьте себя: отдельная частица должна возвращаться к положению равновесия, тогда как энергия движется дальше.
Путать направления колебаний и распространения. Ошибка появляется, если смотреть только на форму волны. Проверьте, вдоль или поперёк направления движения волны смещаются частицы: это сразу определяет тип волны.
Считать, что звук идёт в вакууме. Такое представление возникает из-за наблюдения далёких космических событий. Проверьте условие передачи: для звука нужны частицы упругой среды, а в вакууме их нет.
Подставлять период вместо частоты или смешивать единицы. Формулы v = λν и v = λ/T используют взаимно обратные величины, поэтому такая замена меняет результат. Перед вычислением проверьте, что частота измерена в герцах, период — в секундах, а длина — в метрах.
Для изучения волн нужны знания о механических колебаниях, периоде, частоте и упругих свойствах среды. Эти понятия объясняют, почему частицы совершают повторяющиеся движения и как передают энергию соседям.
Тема связана со звуковыми явлениями и акустикой — наукой о возникновении и распространении звука. Она также понадобится при изучении ультразвука и волн в различных средах, где меняются скорость, длина волны и условия распространения.
Почему волна переносит энергию, но не переносит само вещество?
Частицы среды передают движение соседним частицам и сами колеблются около положений равновесия. Поэтому энергия перемещается по среде, а отдельные частицы не следуют за волной на большое расстояние.
Чем продольная волна отличается от поперечной?
В продольной волне частицы колеблются вдоль направления распространения волны. В поперечной волне они колеблются перпендикулярно этому направлению.
Почему звук не может распространяться в вакууме?
Звук является механической волной, поэтому ему нужны частицы упругой среды для передачи колебаний. В вакууме частиц почти нет, и передавать колебания некому.
От чего зависит скорость звука?
Она определяется свойствами среды: её упругостью, плотностью и температурой. В разных веществах скорость звука различна, а в газах обычно заметно зависит от температуры.
Как связаны скорость звука, длина волны и частота?
Эти величины связаны формулой v = λν, где v — скорость, λ — длина волны, а ν — частота. При известной скорости увеличение частоты означает уменьшение длины волны.
§30. Волны в среде. Звук
