"Физика", Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е.
Механическая волна — это распространяющиеся в упругой среде колебания. Она передаёт энергию от источника к другим участкам среды, но не переносит сами частицы на большие расстояния: они колеблются около положений равновесия. Волны различают по направлению колебаний частиц, а расстояние, которое волна проходит за один период, называют длиной волны. Эти понятия помогают описывать распространение звука и решать задачи о скорости и характеристиках волн.
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 передавать колебания. Волна переносит энергию, но не переносит вещество на большие расстояния. Это определение помогает отличать движение волны от движения отдельных частиц среды.
Поперечная волна — волна, в которой частицы среды колеблются перпендикулярно направлению её распространения. Например, если волна идёт вдоль натянутой верёвки, а её точки движутся вверх и вниз, колебания направлены поперёк движения волны. Это понятие нужно, чтобы определять вид волны по двум направлениям.
Продольная волна — волна, в которой частицы среды колеблются вдоль направления распространения волны. Частицы могут поочерёдно сближаться и удаляться, создавая участки сжатия и разрежения. Сравнение с поперечной волной показывает, как именно устроено колебание в среде.
Длина волны — расстояние, на которое волна распространяется за время одного периода колебаний источника. Это также расстояние между ближайшими точками, которые колеблются одинаково. Длину волны обозначают греческой буквой λ; она нужна, чтобы связывать пространственные размеры волны с её движением во времени.
Сначала колеблется источник, например конец верёвки, который человек приводит в движение. Он воздействует на соседние частицы, а те передают воздействие следующим частицам. Поэтому возмущение постепенно распространяется по среде, хотя сразу вся среда не начинает двигаться как единое целое. Скорость передачи зависит от свойств среды, например от её упругости и плотности.
Каждая частица среды движется около своего положения равновесия, то есть места, где она находилась бы без колебаний. Получив воздействие, частица отклоняется, а затем возвращается и передаёт движение соседним частицам. Поэтому вдоль среды проходит волна, но отдельные её частицы не уносятся далеко вместе с ней. Передаётся энергия колебаний, а не заметное количество вещества.
Чтобы различить виды волн, нужно сравнить направление движения частиц с направлением, в котором идёт возмущение. На верёвке точки могут колебаться вверх-вниз, пока волна движется вдоль неё: это поперечная волна. В воздухе звук распространяется благодаря чередованию сжатий и разрежений, а частицы воздуха колеблются вперёд и назад вдоль распространения звука: это продольная волна. Поперечные волны возникают, например, в твёрдых телах, а продольные могут распространяться в газах, жидкостях и твёрдых телах.
Механической волне обязательно нужна упругая среда, потому что колебания должны передаваться от частицы к частице. В воздухе эту роль выполняют взаимодействующие молекулы, а в натянутой верёвке — её связанные частицы. В вакууме частиц среды нет, поэтому передавать механические колебания нечему. Именно поэтому звук, который является механической волной, не распространяется в вакууме.
За один период T источник совершает одно полное колебание, и за это же время волна продвигается на одну длину волны λ. Если скорость распространения равна v, то расстояние за время T можно выразить как vT. Значит, λ = vT, а скорость волны можно найти по формуле v = λ/T. Эта связь позволяет, зная любые две величины, вычислить третью.
| Признак | Поперечная волна | Продольная волна |
|---|---|---|
| Направление колебаний частиц относительно распространения волны | Перпендикулярно направлению распространения | Вдоль направления распространения |
| Пример | Волна на натянутой верёвке | Звук в воздухе |
Сначала найдите, в какую сторону распространяется волна, а затем определите направление колебаний частиц среды. Если эти направления перпендикулярны, выберите столбец поперечной волны; если они совпадают — продольной. Примеры в таблице помогают проверить, верно ли вы определили вид волны.
Задача 1. По изображению волны нужно определить, колеблются ли частицы среды вдоль или поперёк направления распространения. В условии важно различить два направления: движение волны и движение частиц. Не следует определять тип только по тому, как выглядит линия волны.
Ответ: вид волны определяют по сравнению направлений колебаний частиц и распространения. Например, если волна идёт вправо, а частицы движутся вверх и вниз, она поперечная; если частицы колеблются вправо и влево, она продольная.
Задача 2. Волна проходит 12 м за 4 с. Нужно найти её скорость. Здесь известны расстояние и время, поэтому подходит определение скорости: пройденный путь делят на время движения. Перед вычислением запишем величины в условии: s = 12 м, t = 4 с.
Ответ: скорость волны равна 3 м/с. Проверка смысла результата: за каждую секунду волна проходит по 3 м, значит за 4 с она проходит 12 м.
Задача 3. Период колебаний источника равен 0,5 с, скорость волны — 6 м/с. Нужно найти длину волны. За время одного периода волна проходит расстояние, равное длине волны, поэтому используем связь λ = vT. Даны T = 0,5 с и v = 6 м/с.
Ответ: длина волны равна 3 м. Проверить вычисление можно так: при скорости 6 м/с за половину секунды волна проходит половину от 6 м, то есть 3 м.
Ошибка: считать, что частицы среды перемещаются вместе с волной. Так можно подумать, наблюдая, как возмущение проходит по верёвке или воде. В действительности частицы колеблются около положений равновесия, а волна передаёт энергию дальше. Чтобы проверить себя, проследите за одной частицей: она не должна пройти вслед за волной большое расстояние.
Ошибка: путать направление колебаний с направлением распространения. Эти направления могут отличаться, поэтому одного вида волны на рисунке недостаточно. Сначала найдите, куда движется возмущение, затем — куда смещаются частицы. Перпендикулярность означает поперечную волну, совпадение направлений — продольную.
Ошибка: утверждать, что механическая волна распространяется в вакууме. Часто волну путают со светом, который может распространяться без вещества. Механические колебания передаются взаимодействующими частицами среды, а в вакууме их нет. Проверяйте, есть ли в условии среда, способная передавать колебания.
Ошибка: путать длину волны с амплитудой. На рисунке обе величины могут выглядеть как расстояния, но измеряются в разных направлениях и описывают разное. Длина волны показывает расстояние вдоль распространения, а амплитуда — наибольшее отклонение частицы от положения равновесия. Для проверки спросите себя: измеряю ли я промежуток между одинаково колеблющимися точками или высоту отклонения одной частицы?
Чтобы понять волновое движение, нужно знать, что такое колебания и положение равновесия. Колебания описывают движение частиц, а волна показывает, как такое движение передаётся по среде. Позже эти представления пригодятся при изучении звука: звук распространяется как механическая волна. Знание видов волн и длины волны поможет разбираться в его распространении и характеристиках.
Переносят ли волны вещество?
Волна не переносит вещество на большие расстояния: частицы среды лишь колеблются около своих положений равновесия. При этом волна переносит энергию.
Почему волна может передавать энергию, если частицы среды не движутся вместе с ней?
Колеблющаяся частица воздействует на соседние частицы и передаёт им часть энергии. Так возмущение распространяется дальше, хотя сами частицы не перемещаются вместе с волной.
Как определить, является волна поперечной или продольной?
Сравните направление колебаний частиц с направлением распространения волны. Если направления перпендикулярны, волна поперечная; если совпадают, она продольная.
Может ли механическая волна распространяться в вакууме?
Нет. Механическая волна распространяется за счёт взаимодействия частиц упругой среды, а в вакууме таких частиц нет.
Чем длина волны отличается от амплитуды?
Длина волны — расстояние вдоль направления распространения, которое волна проходит за один период. Амплитуда — наибольшее отклонение частицы от положения равновесия.
§ 41. Волновое движение
