Отдельные частицы любого тела — твердого, жидкого или газообразного — взаимодействуют друг с другом. Поэтому если какая-то частица начинает колебаться, то благодаря взаимодействию между частицами это движение с некоторой скоростью начинает распространяться во все стороны.
Определение
Волна — колебания, распространяющиеся в пространстве с течение времени.
В воздухе, твердых телах и внутри жидкостей механические волны возникают благодаря силам упругости. Эти силы осуществляют связь между отдельными частями тела. В образовании волн на поверхности воды играют роль сила тяжести и сила поверхностного натяжения. Такие волны позволяют наиболее наглядно рассмотреть главные особенности волнового движения.
Волна на поверхности воды представляет собой бегущие вперед валы округлой формы. Расстояние между валами, которые также называют гребнями, примерно одинаковы. Волны распространяются в среде с определенной скоростью. Так, если чайка летит вперед, а по ней в любой момент времени оказывается один и тот же гребень, то скорость распространения волны можно принять равной скорости полета чайки. Волны на воде наблюдать удобно потому, что скорость их распространения невелика.
Если бросить в воду легкий предмет, он не будет увлекаться волной, а начнет совершать колебания вверх и вниз, оставаясь примерно на одном месте, как поплавок. Это говорит о том, что частицы воды остаются на месте в то время, как волна распространяется на большие расстояния.
Если же резко толкнуть горизонтальную пружину, можно будет наблюдать, как в одних местах она разрежается, в других — уплотняется. Это тоже волна. Видно, что энергия, полученная от толчка руки, переносится через пружину, хотя ее частицы остаются на месте.
Примеры с поплавком на воде и горизонтальной пружиной позволяют сделать вывод, что волна переносит энергию, но не переносит вещество среды.
Виды механических волн
По характеру колебаний частиц среды относительно положения равновесия различают два вида волн:
Определения
- Поперечная волна — волна, при которой частицы среды колеблются перпендикулярно направлению распространения этой волны.
- Продольная волна — волна, при которой частицы среды колеблются параллельно направлению распространения этой волны.
Волны, распространяющиеся вдоль резинового шнура, являются поперечными (см. рисунок ниже). Чтобы появилась волна, нужно взять конец шнура, прикрепленного к вертикальной опоре, и дернуть его. При этом волна побежит к вертикальной опоре, а сам шнур будет менять свою форму. Каждая частица шнура станет совершать колебания относительно своего неизмененного положения равновесия сверху вниз (перпендикулярно направлению распространения волны).
Рассмотрим поперечные волны подробнее. Каждый участок шнура обладает массой и упругостью. При деформации шнура в любом его сечении появляются силы упругости. Эти силы стремятся возвратить шнур в исходное положение. Благодаря инертности участок колеблющегося шнура не останавливается в положении равновесия, а проходит его, продолжая двигаться до тех пор, пока силы упругости не остановят этот участок в момент максимального отклонения от положения равновесия.
На рисунках а, б, в, г, д и е изображен процесс распространения поперечной волны. На них показаны положения частиц среды в последовательные моменты времени.
Теперь рассмотрим распространение в среде продольной волны. Такую волну можно наблюдать, собрав установку из цепочки массивных шариков, связанных пружинками. Шары подвешены так, чтобы они могли колебаться только вдоль цепочки (см. рисунок ниже).
Если первый шар привести в колебательное движение, то вдоль цепочки побежит продольная волна, состоящая из чередующихся уплотнений и разрежений шаров. Уплотнения и разрежения (см. рисунок ниже) появляются вследствие горизонтальных колебаний шаров у положения равновесия. Волна также распространяется горизонтально.
Физические характеристики волны
Обратимся к рисункам д, е еще раз. Видно, что когда частица 1 находится в положении равновесия и движется вверх, частица 13 тоже находится в положении равновесия и движется вверх. Спустя четверть период частица 1 будет максимально отклонена от положения равновесия, ровно, как и частица 13. Так как частицы 1 и 13 движутся одинаково, говорят, что колебания этих частиц происходят в одинаковых фазах. Расстояние между этими частицами называют длиной волны.
Внимание! В действительности частица 13 отстает по фазе от частицы 1 на 2π. Но поскольку такая разница фаз не приводит к различию в состояниях колеблющихся частиц, можно считать, что частицы колеблются в одинаковых фазах.
Определение
Длина волны — расстояние между двумя ближайшими точками волны, колеблющимися в одинаковых фазах.
Длина волны обозначается как λ (лямбда). Единица измерения длины волны — метр (м).
Согласно рисунку е, в одинаковых фазах колеблются частицы 1 и 13, 2 и 14, 3 и 15, 4 и 16. Поэтому расстояния между этими частицами равно длине волны. Но частицы 1 и 7, находящиеся на расстоянии λ2, колеблются в противоположных фазах. Посмотрите на рисунок д: когда 1 частица находится в положении равновесия и движется вверх, частица 7 находится в положении равновесия и движется низ. На рисунке е обе частицы максимально отклонены от положения равновесия, но в противоположных направлениях.
Волна распространяется на расстояние λ за время, равное периоду колебаний частиц вещества. Зная расстояние, на которое распространилась волна, и время, в течение которого это распространение происходило, можно найти скорость волны:
v=λT
Но мы знаем, что период равен величине, обратной частоте колебаний:
T=1ν
Тогда скорость распространения волны равна:
v=λν
Скорость волны равна произведению длины волны на частоту колебаний.
При распространении волны мы имеем дело с периодичностью двоякого рода:
- Во-первых, каждая частица среды совершает периодические колебания во времени. В случае гармонических колебаний (эти колебания происходят по синусоидальному или косинусоидальному закону) частота постоянна и амплитуда одинакова во всех точках. Колебания отличаются только фазами.
- Во-вторых, в данный момент времени форма волны повторяется в пространстве через отрезки длиной λ вдоль линии распространения волны. На рисунке ниже показан профиль волны в определенный момент времени (сплошная линия). С течением времени вся эта картина перемещается со скоростью v направо. Спустя промежуток времени ∆t волна будет иметь вид, изображенный на том же рисунке прерывистой линией.
Пример №1. Определите скорость распространение волны на поверхности воды, если расстояние между ее гребнями равно 1 метру. Учитывайте, что мимо наблюдателя за 5 секунд прошло 10 волн.
Обычно под волной на воде люди понимают гребни — частицы воды, максимально отклоненные от положения равновесия. Расстояние между гребнями равно длине волны. Чтобы найти скорость распространения волны, нужно знать частоту колебания молекул воды. Ее можно вычислить по следующей формуле:
ν=nt
где n — количество «волн», прошедших мимо наблюдателя.
Тогда скорость волны равна:
v=λν=λnt=1·105=2 (мс)
Уравнение бегущей волны
Определение
Бегущая волна — волна, распространяющаяся в пространстве.
Колебания гармонической волны в любой точке происходят по гармоническому закону с одной и той же амплитудой. Найдем уравнение, описывающее колебательный процесс в любой точке пространства при распространении гармонической волны.
Будем рассматривать волну, бегущую по длинному тонкому резиновому шнуру. Ось Ox направим вдоль шнура, а начало отсчета свяжем с левым концом шнура. Смещение любой колеблющейся точки шнура от положения равновесия обозначим буквой s. Для описания волнового процесса необходимо знать значение s в любой точке шнура в любой момент времени. Следовательно, нужно знать вид функции:
s = s(x, t)
Заставим конец шнура (точка х = 0) совершать гармонические колебания с частотой ω. Если начальную фазу колебаний считать равной 0, то колебания этой точки будут происходить по закону:
s = smaxsin ωt
smax — амплитуда колебаний (рис. а).
Колебания распространяются вдоль шнура (оси Ox) со скоростью v и в произвольную точку шнура с координатой х придут спустя время, которое можно определить следующим выражением:
τ=xv
Эта точка также начнет совершать гармонические колебания с частотой ω, но с запаздыванием на время τ (рис. б). Если пренебречь затуханием волны по мере ее распространения, то колебания в точке х будут происходить с той же амплитудой smax, но с другой фазой:
Уравнение бегущей волны
s=smaxsin [ω(t−τ)]=smaxsin [ω(t−xv)]
Это уравнение называется уравнением бегущей волны, распространяющейся в положительном направлении оси Ox.
Пример №2. Уравнение бегущей волны имеет вид s(x, t)=0,1sin(2πt−xπ2). Найдите частоту волны, скорость её распространения и длину.
Запишем уравнение бегущей волны:
s=smaxsin [ω(t−τ)]=smaxsin [ω(t−xv)]
Сопоставляя эти два уравнения можно определить, что циклическая частота и скорость распространения соответственно равны:
ω=2π (радс)
v=4 (мс)
Циклическую частоту также можно рассчитать по формуле:
ω=2πν
Тогда частота волны равна:
ν=ω2π=2π2π=1 (Гц)
Тогда длина волны равна:
λ=vν=41=4 (м)
Задание EF18242
На рисунке показан профиль бегущей волны в некоторый момент времени. Разность фаз колебаний точек 1 и 5 равна
Ответ:
а) π/3
б) π/2
в) π
г) 2π
Алгоритм решения
- Определить характер движения указанных точек.
- По характеру движения точек определить их разность фаз.
Решение
Точки 1 и 5 соответствуют максимальной амплитуде колебаний. В этот момент они меняют направление движения (до этого двигались вверх, теперь меняют направление в противоположную сторону). Поскольку точки 1 и 5 движутся одинаково, можно считать, что они колеблются в одинаковых фазах. Это возможно, если разность фаз кратна 2π.
Ответ: г
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор
Задание EF22628
Какова скорость звуковых волн в среде, если при частоте 400 Гц длина волны λ = 4 м?
Алгоритм решения
1.Записать исходные данные.
2.Записать формулу, которая связывает скорость волны с ее частотой и длиной.
3.Выполнить решение задачи в общем виде.
4.Подставить известные данные и выполнить вычисления.
Решение
Запишем исходные данные:
• Частота звуковой волны: ν = 400 Гц.
Скорость звука — это отношение длины волны к ее периоду. Но период — это обратная величина частоте. Следовательно, скорость звука — есть произведение длины волны на частоту:
v=λν=4·400=1600 (мс)
Ответ: 1600
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор
Задание EF18803
На расстоянии 510 м от наблюдателя рабочие вбивают сваи с помощью копра. Какое время пройдёт от момента, когда наблюдатель увидит удар копра, до момента, когда он услышит звук удара? Скорость звука в воздухе равна 340 м/с.
Алгоритм решения
1.Записать исходные данные.
2.Выполнить решение задачи в общем виде.
3.Подставить известные данные и выполнить вычисления.
Решение
Запишем исходные данные:
• Скорость распространения звука в воздухе: v = 340 м/с.
• Расстояние наблюдателя до источника звука: s = 510 м.
Звук от удара проделает путь, равный одинарному расстоянию от наблюдателя до источника звука. Следовательно, для нахождения времени, через которое наблюдатель услышит звук, нужно разделить этот путь на скорость звука в воздухе:
t=sv=510340=1,5 (с)
Ответ: 1,5
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор
Алиса Никитина | Просмотров: 3.1k
Как найти частоту волны? Процесс прост; количество оборотов, которое требуется для завершения конкретной вещи, называется частотой.
Когда объект движется, мы обычно определяем движение, силу и многие другие факторы. Но нам также нужно знать, с какой частотой он будет двигаться в данный момент времени. Таким образом, обратное время дается как частота в стандартных терминах.
В подробном случае мы также могли бы определить частоту данной волны, частицы в краткосрочной перспективе, а также более широкий контекст. частота является широко используемым фактором с точки зрения волны. Скажем, например, волна распространяется с определенной скоростью, и мы должны найти частоту волны.
Обычно мы погружаемся в математическую часть решения, но, говоря простым языком, мы также можем быстро определить волны. То частота сколько циклов он делает за одну секунду. Таким образом, если волна завершает один цикл, частота составляет половину от него.
Частота — это то, что появляется постоянно или в определенный момент времени. Подобно соленоиду, он имеет несколько витков при намотке на проводник и производит электричество. Точно так же частота — это количество циклов, которые волна совершает за одну секунду, и она обычно равна 2 герцам.
Компания количество циклов световой волны сделанное за одну секунду, также оценивается с точки зрения длины волны и скорость световой волны. Звуковая волна является наиболее распространенной областью, где часто рассматривается частотный термин.
Существует также научная вещь: собаки и птицы слышат звук за пределами определенного уровня, который даже люди не способны слышать. Мы созданы таким образом, что только определенное количество частота звука мы могли вынести услышать.
Частота волновой формулы
Частота имеет общую формулу, которую можно применять во всех контекстах. Период времени является основной причиной, которая помогает в формуле частоты.
Количество циклов, которые волна делает за один, рассматривается как частота этой конкретной волны. Следовательно, формула частоты в повседневном исчислении такова: f=1/T. Здесь Т — период времени, за который волны совершают число циклов.
Чтобы рассчитать частоту, нам нужно знать характеристики волны. Волна — это совокупность вибраций, называемых энергиями. Они достигли пика на обоих концах. Верхний узел называется впадина, а нижний узел называется гребень.
Высота волны обычно считается амплитудой волны. Высота волны будет определять, будет ли амплитуда больше или меньше. Поэтому, когда они изменяются, циклы, сделанные в секунду, также будут изменены.
Таким образом, когда волна завершает один цикл, то есть если волна имеет и гребень, и впадину в одной и той же фазе, тогда получаемая частота равна половине.
Волна совершает определенное количество циклов за одну секунду, что в основном известно как частота волны. И это дается формулой f=1/Т. Тип волны может зависеть от среды, через которую она проходит.
Как найти частоту волны по графику?
Теперь давайте посмотрим, как найти частоту волны на графике. Во-первых, частота — это количество циклов, которые волна пытается совершить, чтобы совершить один полный круг в данный конкретный момент времени.
Когда волна сделает один цикл, на это потребуется некоторое время. На графике мы называем это единицами. По сути, на графике есть несколько единиц, по которым мы можем быстро определить, как найти частоту волны в данном конкретном случае.
Скажем, например, волна движется с определенной скоростью, и мы также должны знать, сколько секунд это занимает. Скажи, что есть 12 секунд отмечены на графике, поэтому этой волне требуется 4 секунды, чтобы завершить один полный цикл. Итак, по формуле f=1/Т, частота волны 0.25Гц.
Давайте рассмотрим несколько задач по расчету частоты.
Проблема:
Типичная волна совершает два цикла за 30 секунд, и какова будет частота волны, если она будет распространяться в той же среде?
Решение:
f=1/Т
f=2/30
f=0.0667 Гц
Всегда возникает путаница между частота волны и скорость волны. Есть амплитуда волны, которая в основном является высотой волны. Таким образом, скорость рассчитывается, чтобы найти скалярную часть скорости, которая является скоростью.
Когда мы обнаруживаем, что волна является световой, звуковой или электромагнитной волной, нам нужно найти частоту волна, завершающая циклы. Период времени между циклами, совершаемыми волной, обычно определяется формулой как обратную частоту.
Как найти частоту волны по длине и амплитуде?
Как найти частоту волны по длине и амплитуде? Когда мы рассматриваем волну как свет, мы должны знать все факторы, влияющие на частоту волны.
Во-первых, необходимо учитывать длину волны. Как найти частоту волны с длиной волны? Формула очень проста, и нам нужно найти формулу скорости света.
Будет формула, называемая скоростью света, с = fλ. Здесь c — скорость света, f — определяемая частота, λ — длина волны света. Из этой формулы мы можем найти частоту волны через длину волны, переставив члены, данные в формуле.
Если говорят, что волна движется с определенной скоростью и временем, нам также нужно найти частота с которым распространяется световая волна. Таким образом, формула, упомянутая выше, будет использоваться для расчета частоты в заданный период времени.
Найдем частоту волны и посмотрим, как частота определяется по формуле.
Проблема:
Световая волна распространяется со скоростью 3×108 РС. Данную длину волны световой волны называют равной 2000 Å. Какова частота?
Решение:
с = fλ
f = с / λ
ф = 3×108 / 2000 Å
f= 1.5 х 1018 герц
Итак, из вышеприведенной задачи видно, что частоту можно найти, используя длину волны.
Теперь нам нужно знать, как найти частоту волны через амплитуду. Для этого рассмотрим теперь общую формулу частоты, т. е. f=1/Т. Здесь f также можно записать как f = ω / 2 π.
Здесь формула для T дается как 2 π/ω. Отсюда легко найти значение амплитуды, если упомянут период времени. А частоту можно найти по приведенной выше формуле, если в конкретной задаче задана амплитуда.
Как найти частоту волны, зная только длину волны?
Нам нужно знать, как длина волны влияет на волну, когда она распространяется с определенной скоростью и в заданном направлении. Это то, как далеко волна сможет пройти в среде.
Мы все знаем, что скорость света является стандартом для большинства формул, и мы также знаем, как переставить детали данной формулы, чтобы найти частоту данной волны. Как правило, когда световая волна распространяется в определенном направлении со скоростью 3×108, он также будет собирать информацию о частоте волны.
Формула скорости света является основой для определения длины волны или частоты распространяющейся световой волны. Скорость формулы света определяется выражением с = fλ. Отсюда мы получаем частоту волны через длину волны, соответствующим образом изменяя формулу.
Окончательная формула f = с / λ. Давайте посмотрим на проблему, как работает формула для электромагнитной волны.
Проблема:
Вычислите частоту электромагнитной волны, которая распространяется со скоростью 2×106м/с с длиной волны 1000 Å. С заданными деталями используйте формулу частота по длине волны.
Решение:
с = fλ
f = с / λ
f = 0.002 х 106 герц
f = 2 х 106/ 1000 Å
Таким образом, мы можем быстро определить частоту волны, используя значение скорости и, главным образом, значение длины волны.
Длина волны волны — это в основном пространство между гребнями или впадинами волны, которые следуют друг за другом. В основном концы одной и той же волны, которая была передана с точки зрения звука или электромагнитная волна.
Когда гребни и впадины волны, находящиеся в одной и той же фазе, встречаются в одном и том же месте, обычно считается, что это длина волны.
Как найти частоту волны по заданному периоду?
Как найти частоту волны через период времени? Ответ на этот вопрос прост, так как это общая формула для определения частоты волны.
Мы должны знать, что период времени в волне — это расстояние между гребнем и впадиной в одной и той же фазе. Поэтому, когда волна в основном распространяется с определенной частотой в заданный промежуток времени, нам нужна формула для расчета частоты.
Вот формула для частота с точки зрения периода времени, f=1/Т. Период времени обычно является еще одним термином для амплитуды волны. Т можно также записать как 2 π/ω, Где ω является мерой амплитуды.
Компания амплитуда — это в основном высота волны в зависимости от чего нам нужно сделать вывод, что амплитуда большая или малая. Если высота волны велика, то амплитуда называется значительной, а если высота волны мала, то говорят, что амплитуда волны мала.
Амплитуда имеет два конца, называемые гребень и впадина. Впадина — это верхний узел амплитуды, а гребень — нижний узел амплитуды.
Когда расстояние между двумя волнами называется длиной волны, а количество циклов, которое совершает одна волна, называется частота, когда период времени равен единице единица на графике, что в стандартном выражении составляет одну секунду.
Как найти частоту волны без скорости?
Из формулы скорости света мы могли бы заметить, что длина волны обратно пропорциональна частоте волны, то есть циклам, совершаемым волной за период времени.
Мы также знаем, что частота не прямо пропорциональна периоду времени; следовательно, длина волны и период времени пропорциональны друг другу. Длина волны связана с энергией, поэтому, когда длина волны увеличивается, энергия уменьшается. Формула основана на энергии фотона.
Мы предполагаем, что длина волны и период времени пропорциональны, а частота и энергия быть пропорциональным. Частота волны без скорости была бы формулой энергии, где E=hf, где E — энергия, h — постоянная Планка, f — частота.
Итак, зная конкретную базовую формулу света и энергии, мы можем соответствующим образом переставить термины и узнать, как найти частоту волны во всех возможных терминах. Кроме того, все эти факторы влияют на волну и ее количество, способствуя ее собственному распространению.
Механические колебания и волны
Механические колебания – периодически повторяющееся перемещение материальной точки, при котором она движется по какой-либо траектории поочередно в двух противоположных направлениях относительно положения устойчивого равновесия.
Отличительными признаками колебательного движения являются:
- повторяемость движения;
- возвратность движения.
Для существования механических колебаний необходимо:
- наличие возвращающей силы – силы, стремящейся вернуть тело в положение равновесия (при малых смещениях от положения равновесия);
- наличие малого трения в системе.
Механические волны – это процесс распространения колебаний в упругой среде.
Содержание
- Виды волн
- Гармонические колебания
- Амплитуда и фаза колебаний
- Период колебаний
- Частота колебаний
- Свободные колебания (математический и пружинный маятники)
- Вынужденные колебания
- Резонанс
- Длина волны
- Звук
- Основные формулы по теме «Механические колебания и волны»
Виды волн
- Поперечная – это волна, в которой колебание частиц среды происходит перпендикулярно направлению распространения волны.
Поперечная волна представляет собой чередование горбов и впадин.
Поперечные волны возникают вследствие сдвига слоев среды относительно друг друга, поэтому они распространяются в твердых телах.
- Продольная – это волна, в которой колебание частиц среды происходит в направлении распространения волны.
Продольная волна представляет собой чередование областей уплотнения и разряжения.
Продольные волны возникают из-за сжатия и разряжения среды, поэтому они могут возникать в жидких, твердых и газообразных средах.
Важно!
Механические волны не переносят вещество среды. Они переносят энергию, которая складывается из кинетической энергии движения частиц среды и потенциальной энергии ее упругой деформации.
Гармонические колебания
Гармонические колебания – простейшие периодические колебания, при которых координата тела меняется по закону синуса или косинуса:
где ( x ) – координата тела – смещение тела от положения равновесия в данный момент времени; ( A ) – амплитуда колебаний; ( omega t+varphi_0 ) – фаза колебаний; ( omega ) – циклическая частота; ( varphi_0 ) – начальная фаза.
Если в начальный момент времени тело проходит положение равновесия, то колебания являются синусоидальными.
Если в начальный момент времени смещение тела совпадает с максимальным отклонением от положения равновесия, то колебания являются косинусоидальными.
Скорость гармонических колебаний
Скорость гармонических колебаний есть первая производная координаты по времени:
где ( v ) – мгновенное значение скорости, т. е. скорость в данный момент времени.
Амплитуда скорости – максимальное значение скорости колебаний, это величина, стоящая перед знаком синуса или косинуса:
Ускорение гармонических колебаний
Ускорение гармонических колебаний есть первая производная скорости по времени:
где ( a ) – мгновенное значение ускорения, т. е. ускорение в данный момент времени.
Амплитуда ускорения – максимальное значение ускорения, это величина, стоящая перед знаком синуса или косинуса:
Если тело совершает гармонические колебания, то сила, действующая на тело, тоже изменяется по гармоническому закону:
где ( F ) – мгновенное значение силы, действующей на тело, т. е. сила в данный момент времени.
Амплитуда силы – максимальное значение силы, величина, стоящая перед знаком синуса или косинуса:
Тело, совершающее гармонические колебания, обладает кинетической или потенциальной энергией:
где ( W_k ) – мгновенное значение кинетической энергии, т. е. кинетическая энергия в данный момент времени.
Амплитуда кинетической энергии – максимальное значение кинетической энергии, величина, стоящая перед знаком синуса или косинуса:
При гармонических колебаниях каждую четверть периода происходит переход потенциальной энергии в кинетическую и обратно.
В положении равновесия:
- потенциальная энергия равна нулю;
- кинетическая энергия максимальна.
При максимальном отклонении от положения равновесия:
- кинетическая энергия равна нулю;
- потенциальная энергия максимальна.
Полная механическая энергия гармонических колебаний
При гармонических колебаниях полная механическая энергия равна сумме кинетической и потенциальной энергий в данный момент времени:
Важно!
Следует помнить, что период колебаний кинетической и потенциальной энергий в 2 раза меньше, чем период колебаний координаты, скорости, ускорения и силы. А частота колебаний кинетической и потенциальной энергий в 2 раза больше, чем частота колебаний координаты, скорости, ускорения и силы.
Графики зависимости кинетической, потенциальной и полной энергий всегда лежат выше оси времени.
Если сила сопротивления отсутствует, то полная энергия сохраняется. График зависимости полной энергии от времени есть прямая, параллельная оси времени (в отсутствие сил трения).
Амплитуда и фаза колебаний
Амплитуда колебаний – модуль наибольшего смещения тела от положения равновесия.
Обозначение – ( A, (X_{max}) ), единицы измерения – м.
Фаза колебаний – это величина, которая определяет состояние колебательной системы в любой момент времени.
Обозначение – ( varphi ), единицы измерения – рад (радиан).
Фаза колебаний – это величина, стоящая под знаком синуса или косинуса. Она показывает, какая часть периода прошла от начала колебаний.
Фаза гармонических колебаний в процессе колебаний изменяется.
( varphi_0 ) – начальная фаза колебаний.
Начальная фаза колебаний – величина, которая определяет положение тела в начальный момент времени.
Важно!
Путь, пройденный телом за одно полное колебание, равен четырем амплитудам.
Период колебаний
Период колебаний – это время одного полного колебания.
Обозначение – ( T ), единицы измерения – с.
Период гармонических колебаний – постоянная величина.
Частота колебаний
Частота колебаний – это число полных колебаний в единицу времени.
Обозначение – ( nu ), единицы времени – с-1 или Гц (Герц).
1 Гц – это частота такого колебательного движения, при котором за каждую секунду совершается одно полное колебание:
Период и частота колебаний – взаимно обратные величины:
Циклическая частота – это число колебаний за 2π секунд.
Обозначение – ( omega ), единицы измерения – рад/с.
Свободные колебания (математический и пружинный маятники)
Свободные колебания – колебания, которые совершает тело под действием внутренних сил системы за счет начального запаса энергии после того как его вывели из положения устойчивого равновесия.
Условия возникновения свободных колебаний:
- при выведении тела из положения равновесия должна возникнуть сила, стремящаяся вернуть его в положение равновесия;
- силы трения в системе должны быть достаточно малы. При наличии сил трения свободные колебания будут затухающими.
При наличии сил трения свободные колебания будут затухающими.
Затухающие колебания – это колебания, амплитуда которых с течением времени уменьшается.
Математический маятник – это материальная точка, подвешенная на невесомой нерастяжимой нити.
Период колебаний математического маятника:
Частота колебаний математического маятника:
Циклическая частота колебаний математического маятника:
Максимальное значение скорости колебаний математического маятника:
Максимальное значение ускорения колебаний математического маятника:
Период свободных колебаний математического маятника, движущегося вверх с ускорением или вниз с замедлением:
Период свободных колебаний математического маятника, движущегося вниз с ускорением или вверх с замедлением:
Период свободных колебаний математического маятника, горизонтально с ускорением или замедлением:
Мгновенное значение потенциальной энергии математического маятника, поднявшегося в процессе колебаний на высоту ( h ), определяется по формуле:
где ( l ) – длина нити, ( alpha ) – угол отклонения от вертикали.
Пружинный маятник – это тело, подвешенное на пружине и совершающее колебания вдоль вертикальной или горизонтальной оси под действием силы упругости пружины.
Период колебаний пружинного маятника:
Частота колебаний пружинного маятника:
Циклическая частота колебаний пружинного маятника:
Максимальное значение скорости колебаний пружинного маятника:
Максимальное значение ускорения колебаний пружинного маятника:
Мгновенную потенциальную энергию пружинного маятника можно найти по формуле:
Амплитуда потенциальной энергии – максимальное значение потенциальной энергии, величина, стоящая перед знаком синуса или косинуса:
Важно!
Если маятник не является ни пружинным, ни математическим (физический маятник), то его циклическую частоту, период и частоту колебаний по формулам, применимым к математическому и пружинному маятнику, рассчитать нельзя. В данном случае эти величины рассчитываются из формулы силы, действующей на маятник, или из формул энергий.
Вынужденные колебания
Вынужденные колебания – это колебания, происходящие под действием внешней периодически изменяющейся силы.
Вынужденные колебания, происходящие под действием гармонически изменяющейся внешней силы, тоже являются гармоническими и незатухающими. Их частота равна частоте внешней силы и называется частотой вынужденных колебаний.
Резонанс
Резонанс – явление резкого возрастания амплитуды колебаний, которое происходит при совпадении частоты вынуждающей силы и собственной частоты колебаний тела.
Условие резонанса:
( v_0 ) – собственная частота колебаний маятника.
На рисунке изображены резонансные кривые для сред с разным трением. Чем меньше трение, тем выше и острее резонансная кривая.
Явление резонанса учитывается при периодически изменяющихся нагрузках в машинах и различных сооружениях.
Также резонанс используется в акустике, радиотехнике и т. д.
Длина волны
Длина волны – это расстояние, на которое волна распространяется за один период, т. е. это кратчайшее расстояние между двумя точками среды, колеблющимися в одинаковых фазах.
Обозначение – ( lambda ), единицы измерения – м.
Расстояние между соседними гребнями или впадинами в поперечной волне и между соседними сгущениями или разряжениями в продольной волне равно длине волны.
Скорость распространения волны – это скорость перемещения горбов и впадин в поперечной волне и сгущений или разряжений в продольной волне.
Звук
Звук – это колебания упругой среды, воспринимаемые органом слуха.
Условия, необходимые для возникновения и ощущения звука:
- наличие источника звука;
- наличие упругой среды между источником и приемником звука;
- наличие приемника звука; • частота колебаний должна лежать в звуковом диапазоне;
- мощность звука должна быть достаточной для восприятия.
Звуковые волны – это упругие волны, вызывающие у человека ощущение звука, представляющие собой зоны сжатия и разряжения, передающиеся на расстояние с течением времени.
Классификация звуковых волн:
- инфразвук (( nu ) < 16 Гц);
- звуковой диапазон (16 Гц < ( nu ) < 20 000 Гц);
- ультразвук (( nu ) > 20 000 Гц).
Скорость звука – это скорость распространения фазы колебания, т. е. области сжатия и разряжения среды.
Скорость звука зависит
- от упругих свойств среды:
в воздухе – 331 м/с, в воде – 1400 м/с, в металле – 5000 м/с;
- от температуры среды:
в воздухе при температуре 0°С – 331 м/с,
в воздухе при температуре +15°С – 340 м/с.
Характеристики звуковой волны
- Громкость – это величина, характеризующая слуховые ощущения человека, зависящая от амплитуды колебаний в звуковой волне. Единицы измерения – дБ (децибел).
- Высота тона – это величина, характеризующая слуховые ощущения человека, зависящая от частоты колебаний в звуковой волне. Чем больше частота, тем выше звук. Чем меньше частота, тем ниже звук.
- Тембр – это окраска звука.
Музыкальный звук – это звук, издаваемый гармонически колеблющимся телом. Каждому музыкальному тону соответствует определенная длина и частота звуковой волны.
Шум – хаотическая смесь тонов.
Основные формулы по теме «Механические колебания и волны»
Механические колебания и волны
2.9 (58.68%) 152 votes
Механические волны.
Автор — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев
Темы кодификатора ЕГЭ: механические волны, длина волны, звук.
Механические волны — это процесс распространения в пространстве колебаний частиц упругой среды (твёрдой, жидкой или газообразной).
Наличие у среды упругих свойств является необходимым условием распространения волн: деформация, возникающая в каком-либо месте, благодаря взаимодействию соседних частиц последовательно передаётся от одной точки среды к другой. Различным типам деформаций будут соответствовать разные типы волн.
Продольные и поперечные волны.
Волна называется продольной, если частицы среды колеблются параллельно направлению распространения волны. Продольная волна состоит из чередующихся деформаций растяжения и сжатия. На рис. 1 показана продольная волна, представляющая собой колебания плоских слоёв среды; направление, вдоль которого колеблются слои, совпадает с направлением распространения волны (т. е. перпендикулярно слоям).
 |
| Рис. 1. Продольная волна |
Волна называется поперечной, если частицы среды колеблются перпендикулярно направлению распространения волны. Поперечная волна вызывается деформациями сдвига одного слоя среды относительно другого. На рис. 2 каждый слой колеблется вдоль самого себя, а волна идёт перпендикулярно слоям.
 |
| Рис. 2. Поперечная волна |
Продольные волны могут распространяться в твёрдых телах, жидкостях и газах: во всех этих средах возникает упругая реакция на сжатие, в результате которой появятся бегущие друг за другом сжатия и разрежения среды.
Однако жидкости и газы, в отличие от твёрдых тел, не обладают упругостью по отношению к сдвигу слоёв. Поэтому поперечные волны могут распространяться в твёрдых телах, но не внутри жидкостей и газов*.
Важно отметить, что частицы среды при прохождении волны совершают колебания вблизи неизменных положений равновесия, т. е. в среднем остаются на своих местах. Волна, таким образом, осуществляет
перенос энергии, не сопровождающийся переносом вещества.
Наиболее просты для изучения гармонические волны. Они вызываются внешним воздействием на среду, меняющимся по гармоническому закону. При распространении гармонической волны частицы среды совершают гармонические колебания с частотой, равной частоте внешнего воздействия. Гармоническими волнами мы в дальнейшем и ограничимся.
Рассмотрим процесс распространения волны более подробно. Допустим, что некоторая частица среды (частица 
) начала совершать колебания с периодом 
. Действуя на соседнюю частицу 
она потянет её за собой. Частица в свою очередь, потянет за собой частицу 
и т. д. Так возникнет волна, в которой все частицы будут совершать колебания с периодом .
Однако частицы имеют массу, т. е. обладают инертностью. На изменение их скорости требуется некоторое время. Следовательно, частица в своём движении будет несколько отставать от частицы , частица будет отставать от частицы и т. д. Когда частица пустя время завершит первое колебание и начнёт второе, своё первое колебание начнёт частица 
, находящаяся от частицы на некотором расстоянии 
.
Итак, за время, равное периоду колебаний частиц, возмущение среды распространяется на расстояние . Это расстояние называется длиной волны. Колебания частицы будут идентичны колебаниям частицы колебания следующей частицы 
будут идентичны колебаниям частицы и т. д. Колебания как бы воспроизводят себя на расстоянии можно назвать пространственным периодом колебаний; наряду с временным периодом она является важнейшей характеристикой волнового процесса. В продольной волне длина волны равна расстоянию между соседними сжатиями или разрежениями (рис. 1). В поперечной — расстоянию между соседними горбами или впадинами (рис. 2). Вообще, длина волны равна расстоянию (вдоль направления распространения волны) между двумя ближайшими частицами среды, колеблющимися одинаково (т. е. с разностью фаз, равной 
).
Скоростью распространения волны называется отношение длины волны к периоду колебаний частиц среды:
.
Частотой волны называется частота колебаний частиц:
.
Отсюда получаем связь скорости волны, длины волны и частоты:
. (1)
| На поверхности жидкости могут существовать волны особого типа, похожие на поперечные — так называемые поверхностные волны. Они возникают под действием силы тяжести и силы поверхностного натяжения. |
Звук.
Звуковыми волнами в широком смысле называются всякие волны, распространяющиеся в упругой среде. В узком смысле звуком называют звуковые волны в диапазоне частот от 16 Гц до 20 кГц, воспринимаемые человеческим ухом. Ниже этого диапазона лежит область инфразвука, выше — область ультразвука.
К основным характеристикам звука относятся громкость и высота.
Громкость звука определяется амплитудой колебаний давления в звуковой волне и измеряется в специальных единицах —децибелах (дБ). Так, громкость 0 дБ является порогом слышимости, 10 дБ — тиканье часов, 50 дБ — обычный разговор, 80 дБ — крик, 130 дБ — верхняя граница слышимости (так называемый болевой порог).
Тон — это звук, который издаёт тело, совершающее гармонические колебания (например, камертон или струна). Высота тона определяется частотой этих колебаний: чем выше частота, тем выше нам кажется звук. Так, натягивая струну, мы увеличиваем частоту её колебаний и, соответственно, высоту звука.
Скорость звука в разных средах различна: чем более упругой является среда, тем быстрее в ней распространяется звук. В жидкостях скорость звука больше, чем в газах, а в твёрдых телах — больше, чем в жидкостях.
Например, скорость звука в воздухе при 
равна примерно 340 м/с (её удобно запомнить как «треть километра в секунду»)*. В воде звук распространяется со скоростью около 1500 м/с, а в стали — около 5000 м/с.
Заметим, что частота звука от данного источника во всех средах одна и та же: частицы среды совершают вынужденные колебания с частотой источника звука. Согласно формуле (1) заключаем тогда, что при переходе из одной среды в другую наряду со скоростью звука изменяется длина звуковой волны.
| Если хочешь найти расстояние до грозовых туч в километрах, посчитай, через сколько секунд после молнии придёт гром, и раздели полученное число на три. |
Спасибо за то, что пользуйтесь нашими публикациями.
Информация на странице «Механические волны.» подготовлена нашими редакторами специально, чтобы помочь вам в освоении предмета и подготовке к экзаменам.
Чтобы успешно сдать нужные и поступить в высшее учебное заведение или техникум нужно использовать все инструменты: учеба, контрольные, олимпиады, онлайн-лекции, видеоуроки, сборники заданий.
Также вы можете воспользоваться другими материалами из разделов нашего сайта.
Публикация обновлена:
07.05.2023
План урока:
Распространение колебаний в среде
Волны. Продольные и поперечные волны. Волны сжатия и разрежения
Упругие волны. Основное общее свойство бегущих в среде волн
Длина волны
Скорость распространения волны. Частота волны
Частоты и период волны
Распространение колебаний в среде
Чтобы понять, что такое колебания в среде достаточно представить несколько простых примеров:
- камень бросили в воду, по поверхности воды тут же расходятся круги – это и есть колебания поверхности воды;
- игра на гитаре – струна начинает колебаться после прикосновения музыканта.
Рассмотрим простую ситуацию распространения колебаний в среде: длинная пружинка, закрепленная с одной стороны, а с другой на нее оказывается периодическое внешнее воздействие, например, равномерные толчки рукой (см. рисунок 1).
После первого толчка часть пружинки, которая находится ближе к руке, сожмется (см. рисунок 1а), а потом из-за упругих свойств пружины, разожмется, воздействуя на витки, лежащие правее первоначального сжатия (см. рисунок 1б). Таким образом сжатие будет «продвигаться» вправо (влево – нет, так как ему мешает рука, блокирующая левый край пружины). После следующего толчка рукой образуется новое сжатие, которое тоже будет «продвигаться» вправо, потом следующее сжатие и т.д. (см. рисунок 1в).
Обобщить все сказанное можно следующим образом: колебания в среде или даже колебания среды (ведь пружинка – это среда) представляют собой некое возмущение, распространяющееся от места их возникновения без переноса вещества. Источником таких возмущений является колеблющееся тело (или некое периодическое воздействие). Такое возмущение и называется волной. Рассмотрим это явление подробнее.
Волны. Продольные и поперечные волны. Волны сжатия и разрежения
Волна – это колебание, распространяющиеся в какой-либо среде с течением времени.
Волны бывают разные. В рассмотренном ранее примере с пружинкой (см. рисунок 1) волна распространяется вправо, а частицы вещества (пружины) сжимаются и разжимаются вдоль направления волны – такие волны называются продольными.
Продольная волна – волна, в которой направление колебаний частиц среды параллельно направлению распространения волны.
Теперь рассмотрим иной случай:волна в гитарной струне. Схематично ее колебание показано на рисунке 2. Направление распространения волны – вправо, а направление смещения частиц – вверх и вниз.
Рисунок 2 – Поперечная волна
Поперечная волна– волна, в которой направление колебаний частиц среды перпендикулярно направлению распространения волны.
Важно отметить, что при возникновении поперечных волн в струне происходит деформация сдвига, а значит, колебания будут происходить под действием сил упругости, старающихся вернуть струну в исходное положение. Деформация сдвига и силы упругости могут возникнуть только в твердых телах (представьте, что один слой жидкости или газа смещается относительно другого – силы упругости в этом случае не возникают). Следовательно, поперечные волны распространяются только в твердых телах.
Продольные волны распространяются в любой среде, в том числе в жидкости и в газах. В любом типе вещества этот тип волны представляет собой чередование сгущений и разрежений частиц, поэтому продольные волны называются так же волнами сжатия и разрежения.
Продольными волнами является, например, звук.
Упругие волны. Основное общее свойство бегущих в среде волн
Волны могут распространяться в разных средах, однако особо выделяют волны, которые распространяются в упругих средах.
Упругая волна – это механическое возмущение или деформация, распространяющееся в упругой среде. Или, другими словами, это распространение колебаний в упругой среде.
*Для справки: тело (среда) называется упругим, если после прекращения воздействия на него оно возвращается в исходное состояние. Упругие деформации – обратимые, то есть те, после которых тело еще способно вернуться в исходное состояние. Например, если взять тонкий деревянный стержень, можно его немного согнуть, но как только воздействие прекратится, он вернется в начальное положение – это будет упругая деформация. Если согнуть стержень слишком сильно, так, чтобы он сломался, будет неупругая деформация.
Ранее рассматривалось разделение волн на продольные и поперечные. Помимо этого, все волны можно так же разделить на стоячие и бегущие.
Бегущие волны – тип волн, при котором происходит перенос энергии без переноса вещества.
В примере с пружинкой (рисунок 1) как раз рассматривается бегущая волна. Как известно, сжатая пружина обладает потенциальной энергией, следовательно, «продвигающееся» сжатие в пружине переносит с собой потенциальную энергию. При этом не происходит переноса вещества.
Основное общее свойство бегущих в среде волн: перенос энергии без переноса вещества.
Стоячие волны – такой тип волн, при котором не происходит переноса энергии. Стоячие волны являются суперпозицией (наложением друг на друга) бегущих волн. Это сложное явление, которое не изучается в курсе физики для 9-го класса. Однако, следует помнить, что такие волны существуют.
Основные характеристики волн
Из определения понятия «волна» следует, что волна – это колебание, а значит, ей будут присущи все характеристики колебаний: амплитуда, период и частота. Помимо этого, определение волны говорит, что она куда-то распространяется, следовательно, волны будут характеризоваться скоростью. И последняя характеристика – длина волны. С нее и начнется подробный разбор.
* Напоминание: скорость – векторная величина, а значит, она включает в себя и модуль скорости волны, и направление ее распространения.
Длина волны
Рассмотрим простой пример: веревка, которую с одной стороны держит ученик, а с другой она закреплена за опору (рисунок 3). Ученик начинает периодически встряхивать веревочку, вследствие чего по ней начинают идти волны.
Упрощенно можно сказать, что распространение колебаний волны в веревочке представляет собой чередование «горбов» и «впадин». Можно заметить, что расстояние между каждыми двумя соседними «горбами» или «впадинами» везде одинаковое. Это и есть длина волны для конкретно взятого примера. Длина волны обозначается буквой λ (читается как «лямба» или, иногда, «ламбда»). В СИ:
Чтобы обобщить понятие длины волны, нужно ввести другие характеристики.
Скорость распространения волны
Под скоростью распространения волны понимают скорость распространения колебаний (возмущения). Так же можно сказать, что скорость продольной или поперечной волны – это скорость переноса энергии бегущей волны. Скорость, как и всегда, обозначается буквой ν (в данном случае, скорость – вектор, в эту величину включается и модуль, и направление движения; если в условиях конкретной задачи необходим только модуль скорости, он обозначается ν).
Волны, распространяющиеся в пространстве, удобно рассматривать, используя функции. Обратимся к примеру, с пружиной, представленному ранее. Вдоль пружины можно выбрать координатную ось х. Волны, бегущие в пружине – это волны уплотнения и растяжения. Тогда можно задать относительную деформацию ε как функцию от координаты х:
То есть, пользуясь этой функцией, мы сможем вычислить деформацию в каждой точке пружины, а также можно построить график – рисунок 4.
Как уже говорилось ранее, волна распространяется (бежит) по пружине с течением времени (t). Скорость бегущей волны v. Чтобы учесть это, воспользуемся свойством смещения графика функции, и зададим плотность так:
График функции, заданной в таком виде, при равномерном увеличении t будет ползти вправо. То есть каждая точка графика будет двигаться вправо со скоростью v (рисунок 5).
Для задания волны, бегущей влево, нужно задать смещение с противоположным знаком:
Приведенные выражения называются уравнениями бегущей волны. Удобство такого рассмотрение заключается в том, что наложение множества волн с разными характеристиками можно рассматривать просто как математическую функцию, и использовать для этого весь мат. аппарат. В программе старших классах будет разобрано, как это применяется для исследования свойств одной волны и наложения двух и трех волн.А пока достаточно знать, как по виду функции определить, в каком направлении движется волна.
*Математическое отступление.
Напомним, что математическая функция в узком смысле — это закон, который в соответствие одному числу ставим другое. В записи:
Частоты и период волны
Если вернутся к примеру на рисунке 3, можно сказать, что частота волны – это количество гребней, проходящих мимо наблюдателя за единицу времени (то есть за секунду в СИ). Частота обозначается буквой v(«ню»). Напомним, что:
Даже свет и цвета, которые мы видим – это тоже особый вид волн, которые называются электромагнитными (они будут рассматриваться чуть позже). Например, красный цвет – это волны, длины которых находятся в диапазоне от 620 до 760 нанометров. Длина всех волн света (или световых волн) колеблется в промежутке примерно от 380 до 760 нанометров.