Что такое волновое движение
Что такое волна звуковая, электромагнитная и свето
Почему некоторые элементарные частицы могут себя вести как частица, а могут как волна? Этот вопрос меня очень заинтересовал. Чтобы понять, в чём дело, прежде всего, нужно понять, что такое любая волна.
Волновое движение – это регулярно повторяющееся колебание частиц вещества. Распространение волн всегда связано с переносом энергии импульса в пространстве. Для того, что возникла волна, нужен источник импульса или сила воздействия. Любая волна характеризуется амплитудой, частотой, длиной и направлением. Амплитуда волны – это максимальное смещение частиц вещества от положения равновесия. Частота волны – это число её колебаний в секунду. Длина волны – это расстояние между двумя максимумами или минимумами амплитуды. Направление волны – это направление распространения волны в пространстве.
Примерами волнового движения могут служить рябь на поверхности воды (волны в жидкой среде), звук (волны в газообразной среде и твёрдой среде), радиосигналы и свет (электромагнитная среда).
Понять движение волны лучше всего, наблюдая за волнами, возникающими на воде. Для этого нужен начальный импульс или сила, под действием которой они существуют. Бросим камень в воду. Что происходит? Мы видим, как возникшая волна кругами расходится от места падения камня. Волны по воде катятся вследствие вертикального смещения частиц воды вблизи поверхности. Происходит подъём и опускание частиц воды, то есть движение по вертикали, но движения частиц воды по горизонтали нет. Почему мы видим тогда, что волны от брошенного камня расширяются. Всё в начальном импульсе. Брошенный камень давит на частицы воды, и они под ним опускаются. Это заставляет другие, ближайшие к ним частицы воды, подниматься. Ближайшие к этим поднятым частицам воды опускаются и так далее. Возникают волны, которые мы видим. Постепенно энергия импульса переходит в движение волн, и волны уменьшаются, пока совсем не исчезнут. Чем больше энергия импульса, тем шире круг и дольше длятся волны.
Кроме рассмотренной волны воды есть приливные волны. Эти волны возникают под действием определённой силы. Например, под действием силы ветра, силы притяжения Луны. В этом случае происходит, как колебание частиц воды по вертикали, так и движение этих частиц по горизонтали.
Распространение световых и радиоволн не связано с колебанием частиц вещества. Оба эти вида волн представляют собой электромагнитное излучение (распространение энергии благодаря колебаниям электрического и магнитного полей). Электромагнитные волны являются поперечными – колебания напряжённости электрического и магнитного полей происходит под прямым углом к направлению движения волны и под прямым углом друг к другу.
Если свет и радиоволны – это электромагнитные волны, то почему мы свет видим, а радиоволны нет? Наука объясняет это частотой колебания волн.
Если частица ведёт себя как волна, то это означает, что она распалась на более элементарные частицы, которые и создают эту волну. Если это так, то электромагнитные волны – это колебания каких-то элементарных частиц, оказывающих своё действие через магнитное и электрическое поле. Это определенное состояние физической материи. Следовательно, оно должно присутствовать в любом объекте физического мира, включая и самого человека. Мы находимся в океане электромагнитных волн. Остаётся понять, что создаёт этот океан?
Данная статья представлена на сайте Яндекс.Дзен, ссылка на канал Booklife2015 дана в конце моей страницы.
Волновое движение: характеристики, типы волн, примеры
Содержание:
В Волновое движение Он заключается в распространении возмущения, называемого волной, в материальной среде или даже в вакууме, если это свет или любое другое электромагнитное излучение.
Энергия распространяется в волновом движении, при этом частицы в среде не перемещаются слишком далеко от своих позиций, поскольку возмущение только заставляет их колебаться или непрерывно вибрировать вокруг места равновесия.
В случае света, который не нуждается в материальной среде, передаются колебания электрического и магнитного полей.
Характеристики волнового движения
У волн есть несколько характерных атрибутов, которые мы можем сгруппировать по их природе:
Давайте посмотрим на схематическое изображение простой волны как периодической последовательности пиков и впадин. Рисунок представляет собой немного больше, чем цикл или что то же самое: полное колебание.
Пространственные характеристики волн
Эти элементы являются общими для всех волн, включая свет и звук.
Временные характеристики волн
Типы волн
Существуют разные типы волн, так как они классифицируются по нескольким критериям, например, их можно классифицировать по:
Волна может быть одновременно нескольких типов, как мы увидим ниже:
— Волны в соответствии с колебаниями среды
Частицы, составляющие среду, обладают способностью по-разному реагировать на возмущение, таким образом они возникают:
Поперечные волны
Частицы в среде колеблются в направлении, перпендикулярном возмущению. Например, если у нас есть горизонтально натянутая струна, которая возмущается с одного конца, частицы колеблются вверх и вниз, а возмущение распространяется горизонтально.
Электромагнитные волны также распространяются таким же образом, независимо от того, перемещаются они в материальной среде или нет.
Продольные волны
— Волны в зависимости от среды, в которой они распространяются
Механические волны
Им всегда требуется материальная среда для распространения, которая может быть твердой, жидкой или газовой. Звук также является примером механической волны, а также волн, которые образуются в натянутых струнах музыкальных инструментов и тех, которые распространяются по всему земному шару: сейсмических волн.
Электромагнитные волны
Электромагнитные волны могут распространяться в вакууме. Здесь нет колеблющихся частиц, но есть электрическое и магнитное поля, которые взаимно перпендикулярны, и в то же время перпендикулярны направлению распространения.
Спектр электромагнитных частот очень широк, но мы почти не воспринимаем нашими чувствами узкую полосу длин волн: видимый спектр.
— Волны по направлению распространения
В зависимости от направления распространения волны могут быть:
Если у нас есть натянутая струна, возмущение распространяется по всей длине, то есть в одном измерении. Это также происходит, когда пружина или гибкая пружина, например обтягивающий.
Но есть волны, которые движутся по поверхности, например, по поверхности воды, когда камень бросают в пруд, или волны, которые распространяются в земной коре, в этом случае мы говорим о двумерных волнах.
Наконец, есть волны, непрерывно движущиеся во всех направлениях в пространстве, такие как звук и свет.
— Волны в зависимости от их протяженности
Волны могут распространяться на большие площади, например световые, звуковые и сейсмические. Вместо этого другие ограничены меньшим регионом. Вот почему они также классифицируются как:
Бегущие волны
Когда волна распространяется от своего источника и не возвращается к нему, у вас есть бегущая волна. Благодаря им мы слышим звук музыки, который доносится из соседней комнаты, и солнечный свет достигает нас, который должен пройти 150 миллионов километров в космосе, чтобы осветить планету. Он делает это с постоянной скоростью 300 000 км / с.
Стоячие волны
В отличие от бегущих волн, стоячие волны перемещаются в ограниченной области, например, возмущение в струне музыкального инструмента, такого как гитара.
Гармонические волны
Гармонические волны бывают циклическими или периодическими. Это означает, что возмущение повторяется через каждый определенный постоянный интервал времени, называемый период волны.
Гармонические волны можно математически смоделировать с помощью функций синуса и косинуса.
Непериодические волны
Если возмущение не повторяется через определенный интервал времени, волна не является гармонической и ее математическое моделирование намного сложнее, чем моделирование гармонических волн.
Примеры волнового движения
Природа постоянно представляет нам примеры волнового движения, иногда это очевидно, а иногда нет, как в случае со светом: откуда мы знаем, что он движется как волна?
Волновая природа света обсуждалась веками. Таким образом, Ньютон был убежден, что свет представляет собой поток частиц, а Томас Янг в начале девятнадцатого века показал, что он ведет себя как волна.
Наконец, сто лет спустя Эйнштейн, ко всеобщему спокойствию, подтвердил, что свет был двойным: волна и частица одновременно, в зависимости от того, изучается ли его распространение или способ взаимодействия с материей.
Кстати, то же самое происходит с электронами в атоме, они тоже двойственные сущности. Это частицы, но они также испытывают явления, уникальные для волн, такие как, например, дифракция.
Давайте теперь рассмотрим несколько повседневных примеров очевидного волнового движения:
Пирс
Мягкая пружина, пружина или обтягивающий Он состоит из спиральной пружины, с помощью которой можно визуализировать продольные и поперечные волны, в зависимости от того, каким образом она нарушается на одном из ее концов.
Струны музыкальных инструментов
При нажатии на инструмент, такой как гитара или арфа, вы наблюдаете, как стоячие волны движутся вперед и назад между концами струны. Звук струны зависит от ее толщины и напряжения, которому она подвергается.
Чем плотнее струна, тем легче по ней распространяется возмущение, как и при более тонкой струне. Можно показать, что квадрат скорости волны v 2 дан кем-то:
Звук
У нас есть голосовые связки, с помощью которых издаются звуки для общения. Его вибрация ощущается, когда во время разговора кладут пальцы на горло.
Морские волны
Они распространяются в океанических телах на границе между водой и воздухом и вызываются ветрами, которые заставляют небольшие порции жидкости перемещаться вперед и назад.
Эти колебания усиливаются действием различных сил, помимо ветра: трения, поверхностного натяжения жидкости и постоянно присутствующей силы тяжести.
Сейсмические волны
Земля не является статичным телом, поскольку внутри нее происходят возмущения, проходящие через разные слои. Они воспринимаются как толчки, а иногда, когда они несут много энергии, как землетрясения, способные нанести большой ущерб.
Строение атома
Современные атомные теории объясняют структуру атома аналогией со стоячими волнами.
Решенные упражнения
Упражнение 1
Звуковая волна имеет длину волны 2 см и распространяется со скоростью 40 см за 10 с.
Решение для
Используя предоставленные данные, мы можем рассчитать скорость волны, так как она распространяется со скоростью 40 см за 10 с, поэтому:
v = 40 см / 10 с = 4 см / с
Решение б
Ранее связь между скоростью, длиной волны и периодом была установлена как:
T = λ / v = 2 см / 4 см / с = 0,5 с.
Решение c
Поскольку частота обратно пропорциональна периоду:
Упражнение 2.
Струна растягивается под действием силы 125 Н. Если ее линейная плотность μ равна 0,0250 кг / м, какова будет скорость распространения волны?
Решение
Ранее мы видели, что скорость зависит от натяжения и линейной плотности веревки следующим образом:
v 2 = 125 Н / 0,0250 кг / м = 5000 (м / с) 2
Извлекаем квадратный корень из этого результата:
Ссылки
Iodamoeba bütschlii: характеристика, морфология, жизненный цикл
Содержание:
Волны:
Стоя на берегу озера или пруда, вы могли наблюдать, как кольцами разбегаются волны от места, куда был брошен камень, как волны раскачивают лодку или катер. Ветер нарушает равновесие морской поверхности, кажется, что море надвигается на берег, но это не так. Не перемещаются по полю колосья, когда «волнуется» нива, они только наклоняются и опять выпрямляются. Вслед за кораблем или лодкой всегда возникает типичная картина волн.
Волновые процессы широко распространены в природе. Физические основы волновых движений различны, но все они объясняются одинаковыми законами.
Что же такое волна и каковы причины возникновения волн
Вам известно, что твердые, жидкие и газообразные тела состоят из частей, взаимодействующих между собой. Если частица тела начинает совершать колебания, то в результате взаимодействия ее с другими частицами тела это движение распространяется с определенной скоростью во всех направлениях.
Волна — процесс распространения колебаний в любой среде. Волна — это изменение состояния среды, распространяющееся в пространстве и переносящее энергию.
Наблюдения. Рассмотрим особенности распространения волн. Если рассматривать волны на поверхности воды (рис. 204), то они кажутся валами, движущимися в определенном направлении, причем расстояния между валами, или гребнями, одинаковы.
Если бросить в воду поплавок, его не будет относить волной, а он начнет совершать колебания вверх-вниз, оставаясь почти на одном месте.
При распространении волны изменяется состояние колеблющейся среды, но не перенос вещества. От брошенного камня начинает колебаться определенный участок воды, эти колебания передаются соседним участкам и постепенно распространяются во все стороны. Течение воды не возникает, перемещается только форма ее поверхности.
Опыт 1. Закрепим один конец длинного резинового шнура и легонько заставим шнур колебаться. По шнуру побежит волна (рис. 205). Чем сильнее колеблется шнур, тем больше скорость распространения волны. Волна добежит до точки крепежа, отразится и побежит в обратном направлении.
При распространении волны изменяется только форма шнура, а каждый его участок колеблется относительно своего положения равновесия, причем колебания происходят в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны (рис. 206). Такие волны называют поперечными волнами.
Поперечные волны
Поперечные волны — это волны, в которых частицы совершают колебания в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны.
Опыт 2. Если ударить по одному из концов длинной мягкой пружины большого диаметра, то по пружине «побежит» сжатие. Повторяя удары, можно возбудить в пружине волну, представляющую собой последовательные сжатия и растяжения пружины, «бегущие» друг за другом (рис. 207). Любой виток пружины совершает колебания вдоль направления распространения волны. Такую волну называют продольной волной. 
Продольные волны
Продольные волны — это волны, в которых частицы совершают колебания вдоль направления распространения волны.
Любые волны характеризуются длиной и скоростью их распространения.
Длина волны — это расстояние между ближайшими друг к другу точками волны, колеблющимися в одинаковых фазах (рис. 208). 
Длину волны обозначают греческой буквой А. (лямбда). Ее единицей является один метр (1 м).
Волны любого происхождения распространяются в пространстве не мгновенно, а с определенной скоростью. Например, можно увидеть, как чайка летит над морем будто все время над одним гребнем волны. В этом случае скорость полета чайки равна скорости распространения волны.
А как можно определить скорость распространения волны?
Вы уже знаете, что любое колебание характеризуется периодом колебаний, то есть временем, после которого колебания повторяются. Тогда можно сказать, что за один период волна распространяется на расстояние 
. Поэтому скорость ее распространения можно найти по формуле:
Так как период и частота связаны соотношением 
Пример №1
= 180 м
Решение
По формуле 
определяем скорость распространения волны на воде.
v = 180 м : 15 с = 12 м/с.
Ответ: 12 м/с.
Пример №2
Каково основное свойство механической волны?
Ответ: переносить энергию.
Интерференция волн
Для волн не очень больших амплитуд справедлив принцип суперпозиции: если в точку пространства приходят волны от нескольких источников, то эти волны накладываются друг на друга. В результате такого наложения в некоторых точках пространства может наблюдаться постоянное усиление колебаний, а в некоторых — ослабление. Выясним, почему и когда это происходит. Пусть в некоторую точку M поступают две когерентные волны — волны от двух источников 
, колеблющихся синхронно, то есть в одинаковых фазах и с одинаковой частотой (рис. 22.6, а).
Если волны приходят в точку М в противоположных фазах (в один и тот же момент времени одна волна «толкает» точку М вверх, а вторая «толкает» ее вниз), то волны будут постоянно гасить друг друга (рис. 22.6, б). Если же волны приходят в точку М в одинаковых фазах, то в точке M будут все время наблюдаться колебания с увеличенной амплитудой (рис. 22.6, в). явление наложения волн, вследствие которого в некоторых точках пространства наблюдается устойчивое во времени усиление или ослабление результирующих колебаний, называют интерференцией.
Дифракция волн
Судно, плывущее по морю, образует на поверхности воды волну. Если на своем пути волна встретит скалу или торчащую из воды ветку, то за скалой образуется тень (то есть непосредственно за скалу волна не проникает), а за веткой тень не образуется (волна ветку огибает).
Явление огибания волнами препятствий называют дифракцией (от лат. difractus — разломанный) (рис. 22.8).
В приведенном примере дифракция волны происходит на ветке, но не происходит на скале. Но это не всегда так. Если скала достаточно удалена от берега, то на некотором расстоянии от скалы тень исчезнет — волна обогнет и скалу. Дело в том, что дифракция наблюдается в двух случаях: 1) когда линейные размеры препятствий, на которые находит волна (или размеры отверстий, сквозь которые проходит волна), сопоставимы с длиной волны; 2) когда расстояние от препятствия до места наблюдения намного больше размера препятствия.
Звуковые волны
Звучание флейты, шум мегаполиса, шорох травы, грохот водопада, человеческая речь, музыкальный звук, шум, акустический резонанс. Все это связано с распространением в пространстве определенных механических волн, которые называют звуковыми волнами. Их изучает акустика — наука о звуке. С элементами акустики вы начали знакомиться в курсе физики 9 класса. Итак, вспоминаем и узнаем новое.
Звуковые (акустические) волны — это механические волны с частотами от 20 Гц до 20 кГц. Звуковые волны обычно доходят до уха через воздух — в виде последовательных сгущений и разрежений (то есть в воздухе звуковые волны являются продольными). В зонах сгущений (разрежений) давление воздуха незначительно больше (меньше) атмосферного (рис. 23.1).
Рис. 23.1. Человеческое ухо воспринимает звуковые волны с избыточным (звуковым) давлением примерно от 20 мкПа (0 децибелов — порог слышимости) до 20 Па (120 децибелов — болевой порог). Для сравнения 
=100 000 Па
Звук — механическая волна, потому все свойства волнового движения касаются и звука.
Как связаны субъективные и объективные характеристики звука
Все физические величины, характеризующие механические волны (амплитуда, частота, длина, энергия), являются и характеристиками звука. Эти величины не зависят от особенностей восприятия звука человеком, поэтому их называют объективными, или физическими, характеристиками звука. Субъективные характеристики звука (громкость, высота, тембр) обусловлены особенностями слуха человека, поэтому их называют физиологическими. Понятно, что физические и физиологические характеристики звука связаны (см. таблицу).
Громкость звука определяется прежде всего амплитудой звуковой волны (звуковым давлением), однако зависит и от частоты звуковой волны. Человеческое ухо плохо воспринимает звуки низких (около 20 Гц) и высоких (около 20 кГц) частот, лучше всего — средних частот (1–3 кГц).
Громкость звука измеряют в децибелах (дБ). Так, при частоте звука 1 кГц и звуковом давлении 20 Па громкость звука составляет 120 дБ — это болевой порог звука — наиболее громкий звук, который может воспринимать человек, не чувствуя боли (звук такой громкости издает двигатель реактивного самолета).
Тембр звука определяется составом звуковой волны: кроме основной частоты (по которой мы и оцениваем высоту звука) любой звук содержит несколько более слабых и более высоких дополнительных частот — обертонов. Именно благодаря тембру мы узнаем человека по голосу, отличаем звуки фортепиано от звуков флейты и т. д. Каждый музыкальный инструмент, каждый человек или животное имеют свой тембр.
Что такое акустический резонанс
На любое тело, расположенное в пределах распространения звуковой волны, действует периодическая сила, частота которой равна частоте волны. Под действием этой силы тело начинает совершать вынужденные колебания. Если частота собственных колебаний тела сов падает с частотой звуковой волны, то амплитуда колебаний тела увеличивается и оно начинает издавать звук — наблюдается акустический резонанс.
Акустический резонанс — это явление резкого возрастания амплитуды звукового сигнала при приближении частоты сигнала-возбудителя к частоте собственных колебаний системы.
Наблюдать акустический резонанс можно с помощью опыта с двумя камертонами, имеющими одинаковую частоту (рис. 23.3).
Акустический резонанс используют для увеличения интенсивности звука, созданного некоторым источником (струной, ножками камертона, голосовыми связками и т. д.). Например, для увеличения громкости камертона его присоединяют к деревянному ящику (резонатору), собственная частота колебаний воздуха в котором равна частоте колебаний камертона. Камертон, присоединенный к резонатору, звучит гораздо громче, чем тот, который держат в руке.
Акустический резонанс используют во многих музыкальных инструментах. Воздух в трубах органа, корпусах арф, бандур, гитар и т. д. резонирует с тонами и обертонами звуков, издаваемых колеблющимися телами, и усиливает их. Полость рта — резонатор для звуковых волн, которые создаются благодаря колебаниям голосовых связок. Рис. 23.3. Если заставить звучать один из камертонов, из-за резонанса начнет звучать и второй
Звуковая волна, достигнув уха, испытывает ряд преобразований. Сначала она действует на барабанную перепонку, заставляя ее вибрировать. Чем громче звук, тем сильнее вибрирует перепонка, передавая звуковые колебания в среднее ухо, где они усиливаются.
Усиленный звук попадает во внутреннее ухо с заполненной жидкостью улиткой. Поверхность улитки покрыта волосковыми клетками, количество которых достигает 15 000. Каждая клетка резонирует с определенным диапазоном частот. Обнаружив «собственную» частоту, клетка начинает колебаться, возбуждая нервные окончания, и в мозг идет нервный импульс — человек слышит звук.
С возрастом количество волосковых клеток уменьшается (от 15 000 у ребенка до 4 тысяч у пожилого человека). Первыми погибают клетки, «отвечающие» за высокую частоту, поэтому взрослый человек не слышит высоких звуков (подросток слышит звуки до 22 кГц, пожилой человек — до 12 кГц).
Вспоминаем инфра- и ультразвук
Инфразвук (от лат. infra — ниже, под) — это механические волны, частота которых меньше 20 Гц. Инфразвуковые волны возникают во время штормов, землетрясений, цунами, извержений вулканов, вследствие ударов о берег морских волн. Некоторые существа способны воспринимать инфразвуковые волны (рис. 23.4). Источником инфразвука могут быть и объекты, созданные человеком: турбины, двигатели внутреннего сгорания и т. д. В городах наибольший уровень инфразвука около автомагистралей.
Инфразвук очень опасен для животных и человека: он может вызывать симптомы морской болезни, головокружение, потерю зрения, стать причиной повышенной агрессивности. При длительном воздействии интенсивное инфразвуковое излучение может привести к остановке сердца. При этом человек даже не понимает, что происходит, ведь он не слышит инфразвука. Механические волны, частота которых превышает 20 кГц, называют ультразвуковыми волнами (от лат. ultra — сверх, за пределами).
Ультразвук есть в шуме ветра и водопада, в звуках, которые издают некоторые живые существа. Установлено, что ультразвук до 100 кГц воспринимают многие насекомые и грызуны; улавливают его и собаки.
Слабый ультразвук — основа ультразвуковой локации — определения расположения и характера движения объекта с помощью ультразвука. Так, летучие мыши и дельфины, излучая ультразвук и воспринимая его эхо, могут даже в полной темноте найти дорогу или поймать добычу. Ультразвуковое исследование позволяет «увидеть» еще не родившегося младенца, исследовать состояние внутренних органов, выявить инородные тела в тканях. Ультразвуковую локацию применяют также на морских судах — для выявления объектов в воде (сонары) и исследования рельефа морского дна (эхолоты); в металлургии — для выявления и установления размеров дефектов в изделиях (дефектоскопы).
Мощный ультразвук применяют в технике (обработка прочных материалов, сварка, очистка поверхностей от загрязнений); медицине (измельчение камней в организме, что позволяет избежать хирургических операций); пищевой промышленности (изготовление сыров, соусов); косметологии (изготовление кремов, зубной пасты).
При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org
Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи
Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей
Whatsapp и логотип whatsapp являются товарными знаками корпорации WhatsApp LLC.
Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.