От чего зависит период колебаний волны

Длина волны. Связь длины волны со скоростью ее распространения и периодом. Уравнение волны

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет.

Получите невероятные возможности

Конспект урока «Длина волны. Связь длины волны со скоростью ее распространения и периодом. Уравнение волны»

В прошлой теме говорилось о том, что такое механическая волна.

Механическая волна – это колебание, которое распространяется с течением времени в упругой среде.

Все волны делятся на два вида — продольные и поперечные. Волна называется поперечной, если частицы среды совершают колеба­ния в направлении, перпендикулярном к направлению распространения волны. Такие волны могут распространяться в любых средах.

Волна называется продольной, если частицы среды совершают колебания в направлении распространения волны. Продольные волны могут существовать только в твердых средах.

Рассмотрим более подробно процесс передачи колебаний от точки к точке при распространении поперечной волны. Для этого разберем различные стадии процесса распространения поперечной волны через каждые четверть периода.

Установка представляет собой цепочку пронумерованных шариков, которые символизируют частицы среды. Будем считать, что между шариками, как и между частицами среды, существуют силы взаимодействия.

При смещении точки 1, возникнут силы упругости, которые заставят точку 2 двигаться вслед за точкой один. Это приводит к возникновению сил упругости между точками 2 и 3 и т.д.

Таким образом, благодаря силам взаимодействия каждый шарик в цепочке будет повторять движение первого, но с некоторым запаздыванием. Это запаздывание будет тем больше, чем дальше от первого шарика находится данный шарик.

За вторую четверть периода точка 1 вернется в положение равновесия. Точка 3 испытает максимальное отклонение, а точка 5 только начнет движение.

К концу третьей четверти периода точка 1 испытает максимальное отклонение вниз, точка 3 будет проходить положение равновесия, точка 5 испытает максимальное отклонение вверх, а точка 7 только начнет движение.

К концу периода точка 1 завершит полное колебание и снова придет в положение равновесия, точка 3 отклонится на амплитудное значение вниз, точка 5 будет проходить положение равновесия, точка 7 отклонится на амплитудное значение вверх, а точка 9 только начнет движение.

Еще через четверть периода точки 1 и 9 уже будут колебаться одинаково. Таким образом, за время равное периоду колебаний, волна распространяется от точки 1 до точки 9.

Каждый шарик в отдельности будет совершать колебательное движение. А все вместе эти колебания будут представлять собой поперечную волну.

Раз это колебание, то волне будут присущи все характеристики, которые соответствуют колебанию: амплитуда, период колебания и частота.

Амплитуда — это максимальное смещение тела от положения равновесия.

Промежуток времени, в течение которого тело совершает одно полное колебание, называется периодом.

Число колебаний в единицу времени называется частотой колебаний.

Кроме этого возмущение, созда­ваемое колеблющимся в упругой среде те­лом, передается от одной точки среды к другой. Это происходит не мгновенно, а с определенной скоростью. Скоростью распро­странения волны называется физическая ве­личина, определяемая расстоянием, которое проходит любая точка фронта волны за единицу времени. Вектор скорости направлен по нормали к волновой поверх­ности в сторону распространения волны и в однородной среде со­впадает с направлением луча. Следует отличать скорость распространения вол­ны от скорости колебания частиц среды около своих положений равновесия.

Пусть волна распространяется вдоль горизонтальной оси (например, вдоль упругого горизонтального шнура). В данный момент времени фор­ма волны повторяется в пространстве вдоль шнура через определенные отрезки. На рисунке показан профиль волны в определенный момент времени.

Расстояние между ближайшими точками, колеблющимися в одинако­вых фазах, называется длиной волны. Длина волны обозначается греческой буквой l (лямбда). Онаравна расстоянию, на которое распространяется фронт волны за время, равное периоду колебаний источника волн:

Так как период и частота связаны соотношением:

то скорость волны связана с частотой колебаний уравнением:

Тогда смещение точки среды с координатой r в момент времени t равно

Это и есть уравнение плоской бегущей монохроматической волны (при этом предполагают, что затуханием волны в процессе ее распространения можно пренебречь). Смещение любой точки среды из равновесного поло­жения при прохождении волны является функцией двух переменных: вре­мени и расстояния до равновесного положения точки среды.

Основные выводы:

– Волне присущи все характеристики, которые соответствуют колебанию: амплитуда, период колебания и частота. Кроме этого возмущение, созда­ваемое колеблющимся в упругой среде те­лом, передается от одной точки среды к другой. Это происходит с определенной скоростью.

– Скорость распро­странения волны — это физическая ве­личина, определяемая расстоянием, которое проходит любая точка фронта волны за единицу времени. Вектор скорости направлен по нормали к волновой поверх­ности в сторону распространения волны и в однородной среде со­впадает с направлением луча.

– Расстояние между ближайшими точками, колеблющимися в одинако­вых фазах, называется длиной волны.

От чего зависит период колебаний волны

Механические колебания — периодически повторяющиеся изменения положения тела (материальной точки) относительно положения равновесия.
Амплитуда — максимальное отклонение тела от положения равновесия.
Период — время за которое совершается одно полное колебание. Единица измерения секунда (с).
Частота — количество колебаний в единицу времени . Измеряется частота в герцах (Гц) показывающих количество колебаний за секунду. К примеру величина 50 Гц говорит нам о том, что система за одну секунду совершила 50 колебаний.

Так как период это время за которое совершается одно полное колебание, можно выразить частоту следующим образом:

Гармонические колебания — колебания происходящие по законам синуса или косинуса (гармоническому закону).

Фаза колебания () — аргумент периодической функции, описывающей колебательный или волновой процесс.
Начальная фаза колебания — значение фазы колебаний в начальный момент времени, т.е. при t = 0.
Циклическая частота — скалярная физическая величина, мера частоты вращательного или колебательного движения. Единица измерения радиан в секунду (рад/с).

Исходя из этого можно записать

Свободные колебания — колебания возникающие за счет внутренних сил системы, после того как она была выведена из состояния равновесия.
Собственные частота колебаний — частота свободных колебаний колебательной системы.
Затухающие колебания — колебания в которых происходит постепенное уменьшение амплитуды в результате действия сил сопротивления движению (силы трения, силы сопротивления воздуха..).
Вынужденные колебания — колебания, происходящие под действием внешних периодически изменяющейся сил.
Резонанс — резкое увеличение амплитуды колебания при совпадении собственной частоты колебательной системы, с частотой вынуждающей силы.

Математический маятник

Математический маятник — механическая колебательная система представляющая из себя материальную точку подвешенную на нерастяжимой невесомой нити в поле силы тяжести.
Формула Гюгенса для определения периода колебаний математического маятника. l — длинна маятника.

Циклическая частота колебаний математического маятника.

Пружинный маятник

Пружинный маятник — механическая колебательная система представляющая из себя пружину жесткостью , с материальной точкой массой на одном конце этой пружины.

Колебательный контур

Электромагнитные колебания — периодические изменения напряжённости и магнитной индукции.
Колебательный контур — электрическая цепь, состоящая из конденсатора ёмкостью и катушки индуктивностью . В этой цепи происходят свободные электромагнитные колебания.
Циклическая частота и период собственных колебаний контура определяются по формуле Томсона:

Связь между амплитудными (максимальными) значениями тока в контуре и заряда на конденсаторе:

Связь между амплитудными (максимальными) значениями тока и напряжения в контуре (закон сохранения энергии в колебательном контуре):

Переменный ток

Переменный ток — электрический ток периодически меняющий свое направление.
Действующее значение силы переменного тока равно силе постоянного тока, выделяющего в проводнике то же количество теплоты, что и переменный ток за то же время.

Действующее значение напряжения в цепи переменного тока равно напряжению постоянного тока, выделяющего в проводнике то же количество теплоты, что и переменный ток за то же время.

Средняя по времени тепловая мощность переменного тока:

Емкостное сопротивление — сопротивление конденсатора в цепи переменного тока. Емкостное сопротивление зависит от частоты переменного тока, чем частота выше, тем сопротивление ниже. Для постоянного тока конденсатор по сути представляет разрыв цепи, по этому для постоянного тока емкостное сопротивление стремиться к бесконечности.

Где циклическая частота переменного тока.
Закон Ома для участков цепи, содержащих емкость:

Индуктивное сопротивление — сопротивление катушки индуктивности в цепи переменного тока. Так как изменение тока в цепи приводит к появлению токов самоиндукции противодействующих этому изменению, то увеличение частоты переменного тока приводит к увеличению индукционного сопротивления.

Закон Ома для участков цепи, содержащих индуктивность:

Трансформатор

Трансформатор — электромагнитное устройство, которое используется для передачи и преобразования электрической энергии из одной катушки индуктивности на сердечнике в другую. Частота переменного тока при этом не меняется.
Идеальный трансформатор — трансформатор в котором энергетические потери пренебрежимо малы.
Отношение напряжений на вторичной и первичной обмотках идеального трансформатора равно отношению количеств их витков. ( на вторичной и первичной). Само это соотношение называют коэффициентом трансформации .

Если коэффициент трансформации больше единицы, то трансформатор называется понижающим, если меньше, то повышающим.
Закон сохранения энергии для идеального трансформатора:

КПД неидеального трансформатора:

Волны

Волны — колебания распространяющийся в упругих средах. Если направление распространения волн и направление колеблющихся частиц среды совпадают то такие волны называются продольными. А если эти направления перпендикулярны друг другу, то такие волны называют поперечными.
Так как волновые процессы являются часным случаем колебательного движения, они так же будут характеризоваться своими частотой и периодом. Но помимо этого у волн есть еще свои дополнительные характеристики, отличающие их от обычного колебательного движения.
Длина волны — расстояние, на которое успевает распространиться волна за один период;
Скорость распространения волны — отношение длинны волны к периоду ее колебания.

Звуковые волны — разновидность механических волн в слышимом для человека диапазоне ( от 16 Гц до 20 кГц).

Что нужно знать о скорости распространения волны в физике

Механическая волна — это колебание, которое распространяется с течением времени в упругой среде.

1. Амплитуда — это максимальное смещение периодически изменяющейся величины от равновесного значения. Обозначение: A, измеряется в метрах (м).
2. Период колебаний — это время, за которое совершается одно полное колебание. Обозначается T, измеряется в секундах (с).
3. Частота — это количество полных колебаний за единицу времени. Обозначается ν, измеряется в герцах(Гц).
4. Длина волны — это наименьшее расстояние между частицами, совершающими колебание с одинаковой фазой. Обозначается λ(лямбда), измеряется в метрах.
5. Скорость распространения волны (скорость волны) — это расстояние, на которое распространяется волна в единицу времени. Обозначается V, измеряется в метрах на секунду (м/с).

Единицы измерения

Как было сказано выше, скорость распространения волны измеряется в метрах на секунду (м/с). Выводится единица измерения величины таким же способом, что и единица обычной скорости.

В случае скорости волны будет использоваться:

1. Вместо S — λ(длина волны).
2. Вместо t — T(период).

Как найти скорость распространения волны: формула

Скорость распространения волны равна отношению длины волны к периоду колебаний частиц среды, в которой распространяется волна.

От чего зависит скорость распространения волн

Исходя из формул, можно сделать вывод, что скорость волны зависит от:

1. Длины волны.
2. Периода колебаний.
3. Частоты колебаний.
4. Среды, в которой распространяется волна.

Примеры решения задач

Два примера решения.

Волна цунами может иметь скорость до 100 км/ч. Необходимо узнать, чему будет равен период колебаний, если длина волны 50 км.

Так как V=λ/T, то T=λ/V

Переведем единицы в систему СИ: скорость волны V = 100 км/ч = 27,8 м/с; длина волны λ = 50 км = 50000 м.

Подставим в формулу: T = λ/V = 50000/27,8 = 1799 с = 0,5 ч

Определить длину звуковой волны ноты, если ее частота колебаний 430 Гц, а скорость звука в воздухе 340 м/с.

Длина волны в физике

Звук в физике рассматривается как волна, что обладает уникальными способностями распространения во всех средах. Главные характеристики волн до сегодняшнего дня очень сложно описать, из-за того, что существует большое разнообразие волн, среди которых есть проще и более сложные. Их уникальность заключается в том, что им свойственно распространяться даже в полных пустотах.

Длинна волны представляет собой расстояние, на которое она распространяется за одну фазу колебания.

где \(λ\) — длина волны;

\(v\) — постоянная скорость волны;

\(T\) — период колебания.

Иными словами, длиной волны считается расстояние между двумя соседними волнами.

Для точного определения полной длины волн, измеряют расстояние между точками соседних волн. Часто в физике это расстояние определяется между двумя пиками соседних волн.

Длина волны напрямую зависит от частоты сигнала. Чем более постоянна эта составляющая, тем меньше получится длинна процесса колебания. Это обусловлено сильным ростом суммарного числа повторяющихся волн сигнала на протяжении конкретного промежутка времени с уменьшающейся нестабильной длиной волны.

Для волн де Бройля эта величина рассчитается по такой формуле:

где \(p\) — импульс элемента;

\(h\) — стабильная планка.

Для более точного определения переменного элемента, находящегося в электромагнитном поле или воздухе, используют следующую зависимость:

где \(ν\) — частота общих колебаний;

\(c\) — скорость света.

Звуком является колебательная волна, имеющая механическое происхождение и распространяющаяся в газообразных, жидких и твердых субстанциях.

Звук не увидишь глазом, но зато он очень хорошо воспринимается на слух.

Не нашли то, что искали?

Попробуйте обратиться за помощью к преподавателям

Скорость волны

Скоростью волны есть скорость распространения колебаний в упругих средах. Она равняется произведению длины волны на ее частоту.

Волновые процессы в конкретных средах распространяются со своими конкретными скоростями. Быстротой волны считается общая величина распространения противодействий. Например, во время удара по торцу металлического стержня образуется местное сжатие, которое движется по стержню с конкретной скоростью.

Скорости волновых колебаний зависят от характеристик пространства, в котором они движутся. При перемещении волн из одной субстанции в другую, их скорость меняется.

Зная, что период колебаний для волн пропорционально зависим от их частоты, можно сказать, что скорость волны равняется длине при стабильной частоте.

Волна может переносить силу и энергию на расстояние, а также имеет конкретику, что позволяет волнам не мешать распространению друг друга в той или иной среде.

Видовая классификация волн

Волны в природе передают энергию, но до сих пор ученым не удалось обобщить их основные характеристики, так как существует разнообразное множество их видов. Выделяют несколько видов источников волн, а именно:

• химические;
• механические;
• электромагнитные;
• спиновые;
• гравитационные;
• плотности вероятности.

Американскими учеными было изобретено уникальное устройство, способное с точность определять природу волны. Это изобретение удостоилось Нобелевской премии. Этот детектор лазерной обсерватории однажды уловил гравитационную волну, которая добралась до нашей планеты из далекой галактики, где произошло столкновение двух черных дыр. Для перемещения этой волны до Земли понадобилось более полутора миллиарда лет.

Сложно разобраться самому?

Попробуйте обратиться за помощью к преподавателям

Звуковыми являются волны, которые способно уловить человеческое ухо. Диапазон этих волн находится в размерах от 20 до 20000 Гц. Волны с частотой, меньшей этого диапазона, именуются инфразвуковыми, больше диапазона — ультразвуковыми. Звуковые колебания распространяются как в газообразных, так и в жидких, и в твердых веществах. Но особое внимание привлекают волны, распространяющиеся в газах, то есть в средах, присущих для обитания человека.

Типовая классификация волн

У каждого звукового колебания есть своя амплитуда, частота и фаза. Звуковые колебания могут перемещаться в пространстве на большущие расстояние, затем передавая свои колебания твердым телам, превращаясь при этом в механические колебания частиц определенных субстанций. Они движутся с конкретной скоростью, а после вовсе растворяются. Их скорости определенно зависят от среды распространения: в жидкостях и твердых телах звуки распространяются лучше, чем в газах.

Различают несколько типов волн:

• бегущие — обусловлены скоростью, длиной волны и периодом, характеризуются перемещением фаз в пространстве и времени, зависят от частоты и среды распространения;
• стоячие — представляют собой сумму отраженной и падающей волны, для их образования нужно равенство интенсивностей колебаний;
• звуковые — которые находятся в диапазоне человеческой слышимости. Являются очень важным типом, так как с его помощью люди общаются и могут обмениваться информацией.

При этом далеко не все тела, способные к движению, являются источниками звука. Существует интересный исторический факт о том, что распространение инфразвуковых волн на огромные расстояния помогает предсказать стихийное бедствие. Замечено, что морские обитатели, к примеру, медузы и раки, очень чувствительные к этим явлениям, потому за несколько дней могут определять приближение шторма.

Не нашли нужную информацию?

Закажите подходящий материал на нашем сервисе. Разместите задание – система его автоматически разошлет в течение 59 секунд. Выберите подходящего эксперта, и он избавит вас от хлопот с учёбой.

Гарантия низких цен

Все работы выполняются без посредников, поэтому цены вас приятно удивят.

Доработки и консультации включены в стоимость

В рамках задания они бесплатны и выполняются в оговоренные сроки.

Вернем деньги за невыполненное задание

Если эксперт не справился – гарантируем 100% возврат средств.

Тех.поддержка 7 дней в неделю

Наши менеджеры работают в выходные и праздники, чтобы оперативно отвечать на ваши вопросы.

Тысячи проверенных экспертов

Мы отбираем только надёжных исполнителей – профессионалов в своей области. Все они имеют высшее образование с оценками в дипломе «хорошо» и «отлично».

Гарантия возврата денег

Эксперт получил деньги, а работу не выполнил?
Только не у нас!

Деньги хранятся на вашем балансе во время работы над заданием и гарантийного срока

Гарантия возврата денег

В случае, если что-то пойдет не так, мы гарантируем возврат полной уплаченой суммы

Механические колебания и волны.

Колебания– периодически повторяющиеся движения или изменения состояния системы.

Гармонические колебания– такой вид колебаний, при котором колеблющаяся величина изменяется в зависимости от времени по закону синуса или косинуса.

Квазиупругие силы– силы, неупругие по природе, но аналогичные по свойствам силам, возникающим при малых деформациях упругих тел.

Согласно закону Гука: F_упр= -kx.

Согласно 2 закону Ньютона: , но, тогда, но, (W– собственная частота), тогда(дифференциальное уравнение 2 порядка).

Решение: гармонический закон: ,где— фаза колебаний (рад),— начальная фаза (приt= 0),— собственная частота колебаний, А – амплитуда колебаний.

Частота колебаний: . Период колебаний:.(рад/с)

Скорость материальной точки: .

Ускорение материальной точки: .

Полная энергия колеблющегося тела:

Затухающие колебания– такой вид колебаний, которые существуют в реальных системах, с учётом сил трения и сопротивления.

В системе действуют квазиупругие силы, силы сопротивления (трения) => закон Ньютона приобретает вид: , где, гдеr– коэфф. трения

Подставим: или, где, а, где— коэффициент затухания,— собственная частота.

Решение: .

Амплитуда: .

Период: .

Время релаксации– это время, в течении которого амплитуда уменьшается в е раз., но. Это возможно лишь при, т.е..

Степень затухания характеризуется логарифмическим декрементом затухания, т.е. величиной, равной натуральному логарифму отношения двух последовательных амплитуд колебаний, разделённых интервалом времени, равным периоду колебаний:

За время совершаетсяколебаний.

Вынужденные колебания – это колебания, возникающие в системе при участии внешней силы, изменяющейся по периодическому закону.

В системе действуют квазиупругие силы, силы трения и внешние силы.

Внешняя сила: , гдеF₀– амплитуда,W– собственная частота колебаний.

Второй закон Ньютона:

, или, где.

Решение: , где.

Частота вынужденного колебания = частоте вынуждающей силы.

Амплитуда вынужденных колебаний имеет максимальное значение при некоторой определённой частоте вынуждающей силы, называемой резонансной.

Резонанс– явление достижения максимальной амплитуды для заданных собственной частоты и коэффициента затухания.

, а амплитуда:.

А

Автоколебания– частный случай вынужденных колебаний, происходят тогда, когда сама колебательная система управляет внешними силами. При этом легче достигается резонанс, а работы затрачивается меньше. В живых организмах колебания по принципу автоколебаний. Схема:

Волна– процесс распространения колебаний в упругой среде.

Механическая волна– механические возмущения, распространяющиеся в пространстве и несущие энергию.

продольные – частицы среды совершают колебания по направлению распространения волны – во всех упругих средах;

волна,

x

поперечные – частицы среды совершают колебания перпендикулярно направлению распространения волны – на поверхности жидкости.

X

Виды механических волн:

упругие волны – распространение упругих деформаций;

волны на поверхности жидкости.

Характеристики волн:

Скорость—— расстояние, которое проходит волна за единицу времени (1 сек.). В однородной среде скорость постоянна. Скорость зависит от свойств среды – упругости и плотности (чем больше плотность и упругость среды, тем больше скорость волны). Скорость в твёрдых телах выше скорости в жидких средах, а в жидких средах – выше, чем в газах. Скорость волны – отношение длины волны к периоду:.

Длина волны—— расстояние, которое прошла волна за время, равное периоду колебаний – расстояние между 2 точками, фазы которых в один и тот же момент времени отличаются на 2. Единица измерения длины волны – метры.

Фронт волны– геометрическое место точек, колеблющихся в одинаковой фазе.

Уравнение волны– зависимость смещения колеблющейся точки, участвующей в волновом процессе, от координаты её равновесного положения и времени:.

Пусть А колеблется по закону: .

Тогда В колеблется с запаздыванием на угол , где, т.е.

.

Энергия волны.

— полная энергия одной частицы. Если частицN, то, где— эпсилон,V– объём.

Эпсилон – энергия в единице объёма волны – объёмная плотность энергии.

Поток энергии волн равен отношению энергии, переносимой волнами через некоторую поверхность, к времени, в течение которого этот перенос осуществлён: , ватт; 1 ватт = 1Дж/с.

Плотность потока энергии – интенсивность волны– поток энергии через единицу площади — величина, равная средней энергии, переносимой волной в единицу времени за единицу площади поперечного сечения.

[Вт/м 2 ]

.

Вектор Умова– векторI, показывающий направление распространения волн и равный потоку энергии волн, проходящему через единичную площадь, перпендикулярную этому направлению:

.

Физические характеристики волны:

Сложные колебания (релаксационные) – отличающиеся от синусоидальных.

Преобразование Фурье– любую сложную периодическую функцию можно представить суммой нескольких простых (гармонических) функций, периоды которых кратны периоду сложной функции – это гармонический анализ. Происходит в анализаторах. Итог – гармонический спектр сложного колебания:

А

0

Звук –колебания и волны, которые действуют на ухо человека и вызывают слуховое ощущение.

Звуковые колебания и волны – частный случай механических колебаний и волн. Виды звуков:

Тоны– звук, являющийся периодическим процессом:

простой – гармонический — камертон

сложный – ангармонический – речь, музыка

Сложный тон может быть разложен на простые. Наименьшая частота такого разложения – основной тон, остальные гармоники (обертоны) – имеют частоты, равные 2и другие. Набор частот с указанием их относительной интенсивности – акустический спектр.

Шум –звук со сложной неповторяющейся временной зависимостью (шорох, скрип, аплодисменты). Спектр – сплошной.

Физические характеристики звука:

Частота звука: от 16 до 20000 Гц.

Связь звукового давления и интенсивности: .Интенсивность звуканаходится в очень широком пределе.

Порог слышимости– минимальная интенсивность, которая вызывает слуховое ощущение. Для частоты 1000 Гц – это 10 -12 Вт/м 2 .

Порог болевого ощущения– интенсивность, которая, действуя на ухо, вызывает чувство боли. Для 1000Гц – это 10 2 Вт/м 2 .

Скорость звукаразлична в разных средах. В воздухе 330 м/с.

Акустический спектр– набор частот, входящих в сложны тон с указанием их амплитуд.

Характеристики слухового ощущения:

Высота– определяется частотой звуковой волны. Чем больше частота, тем выше тон. Звук большей интенсивности – более низкий.

Тембр– определяется акустическим спектром. Чем больше тонов, тем богаче спектр.

Громкость– характеризует уровень слухового ощущения. Зависит от интенсивности звука и частоты. Психофизическийзакон Вебера-Фехнера: если увеличивать раздражение в геометрической прогрессии (в одинаковое число раз), то ощущение этого раздражения возрастёт в арифметической прогрессии (на одинаковую величину).

, где Е – громкость (измеряется в фонах);— уровень интенсивности (измеряется в белах). 1 бел – изменение уровня интенсивности, которое соответствует изменению интенсивности звука в 10 раз.K– коэффициент пропорциональности, зависит от частоты и интенсивности.

Зависимость между громкостью и интенсивностью звука – кривые равной громкости, построенные на экспериментальных данных (создают звук частотой 1 кГц, меняют интенсивность, пока не возникнет слуховое ощущение, аналогичное ощущению громкости исследуемого звука). Зная интенсивность и частоту можно найти фон.

Аудиометрия– метод измерения остроты слуха. Прибор – аудиометр. Полученная кривая – аудиограмма. Определяется и сравнивается порог слухового ощущения на разных частотах.

Шумометр – измерение уровня шума.

В клинике: аускультация – стетоскоп/фонендоскоп. Фонендоскоп – полая капсула с мембраной и резиновыми трубками.

Фонокардиография – графическая регистрация фонов и шумов сердца.

Ультразвук– механические колебания и волны с частотой выше 20кГц до 20 МГц. УЗ-излучатели – электромеханические излучатели, основанные на пьезоэлектрическом эффекте (переменный ток к электродам, между которыми — кварц).

Длина волны УЗ меньше длины волны звука: 1,4 м – звук в воде (1 кГц), 1,4 мм – ультразвук в воде (1 МГц). УЗ хорошо отражается на границе кость-надкостница – мышца. УЗ в тело человека не проникнет, если не смазать маслом (воздушный слой). Скорость распространения УЗ зависит от среды. Физические процессы: микровибрации, разрушение биомакромолекул, перестройка и повреждение биологических мембран, тепловое действие, разрушение клеток и микроорганизмов, кавитация. В клинике: диагностика (энцефалограф, кардиограф, УЗИ), физиотерапия (800 кГц), ультразвуковой скальпель, фармацевтическая промышленность, остеосинтез, стерилизация.

Инфразвук– волны с частотой меньше 20 Гц. Неблагоприятное действие – резонанс в организме.

Вибрации. Полезное и вредное действие. Массаж. Вибрационная болезнь.

Эффект Доплера– изменение частоты волн, воспринимаемых наблюдателем (приёмником волн), вследствие относительного движения источника волн и наблюдателя.

1 случай: Н приближается к И.

2 случай: И приближается к Н.

3 случай: приближение и отдаление И и Н друг от друга:

Система: генератор УЗ – приёмник – неподвижна относительно среды. Движется объект. Он принимает УЗ с частотой , отражает её, посылая на приёмник, который получает УЗ волну с частотой. Разница частот –доплеровский сдвиг частоты:. Используется для определения скорости кровотока, скорости движения клапанов.

Электромагнитные волны

Радио, Wi-Fi и вышки 5G — все это электромагнитные волны. Разбираемся, что это такое и рушим мифы про это странное явление.

· Обновлено 28 июля 2023

Волны: что это и какими бывают

Давайте сначала разберемся, что такое волна.

Волна — это распространение колебаний в пространстве.

Волны бывают механическими и электромагнитными.

Главные герои этой статьи — электромагнитные волны. Немного удовлетворим ваше любопытство и скажем, что это те волны, которые мы потрогать не можем. Но все остальное чуть позже. Главное — терпение.

Механические волны — это те волны, колебания которых можно почувствовать физически, потому что они распространяются в упругой среде.

Представьте, что вы стоите на железнодорожных путях. Нет, вы не Анна Каренина, вы — экспериментатор.

Если к вам приближается поезд, вы рано или поздно его услышите. Вернее, услышите, как только звуковая волна со скоростью �� = 330 м/с достигнет ваших ушей.

Если приложить ухо к рельсу, то это произойдет значительно быстрее, потому что скорость звука в твердом теле больше, чем в воздухе. Кстати, под водой скорость звука больше, чем в воздухе, но меньше, чем в твердых телах.

Если вы когда-нибудь трогали музыкальную колонку, то знаете, что звук чувствуется и на ощупь.

Волны также принято делить на продольные и поперечные:

Продольные — это те волны, у которых колебание происходит вдоль направления распространения волны.

• Дрожание окон во время грома или сейсмические волны (землетрясения) — это пример продольных волн.

Поперечные — волны, у которых колебание происходит поперек направления распространения волны.

• Представьте, что вы запустили волну из людей на стадионе — она будет поперечной.
• Видимый свет и дрожание гитарной струны — тоже поперечные волны.

Морская волна — продольная или поперечная?

На самом деле в ней есть и продольная, и поперечная составляющие, поэтому ее нельзя отнести к конкретному типу.

Электромагнитные волны

Увы, мы не можем потрогать руками электромагнитные волны. Осталось разобраться, как это так: волна есть, а возможности пощупать ее — нет.

Электромагнитная волна появляется благодаря электромагнитному полю.

Вот есть электрическое поле — его создает любой электрический заряд. Есть магнитное поле — оно возникает из-за движущегося заряда. А их взаимодействие — это электромагнитное поле.

Если совсем честно, то электрическое и магнитное поле не могут существовать в отдельности, потому что частицы всегда есть электрическое поле и она всегда худо-бедно да движется. Рассмотрение в отдельности электрических и магнитных полей может быть только в теоретической физике. В реальных инженерных задачах рассматривается обязательно электромагнитное поле.

Электромагнитная волна — это распространение электромагнитного поля. А если конкретнее, то электрическое поле колеблется (меняет свое значение и направление вектор напряженности электрического поля), магнитное поле колеблется (меняет значение и направление вектор магнитной индукции), эти колебания распространяются, и получается электромагнитная волна.

К электромагнитным волнам относятся радио, Wi-Fi и даже свет.

Разве свет не из частиц состоит?

Ничего от вас не скроешь. Дело в том, что свет — это как Гермиона с маховиком времени в двух местах сразу — одновременно и частица и волна.

Можете перечитать фразу выше, чтобы с ней смириться. Это не шутка. Экспериментально давно обнаружено, что свет в одних экспериментах ведет себя, как частица, а в других, как волна.

Все это безумство называется корпускулярно-волновым дуализмом. И это работает не только со светом, но и с другими волнами. В общем, у физики тоже бывает раздвоение личности.

Характеристики электромагнитной волны

Чтобы изучать любое явление, его нужно как-то охарактеризовать.

Длина волны

Это самая важная характеристика для волны. Ей называется расстояние между двумя точками этой волны, колеблющихся в одной фазе. Если проще, то это расстояние между двумя «гребнями».

Обозначается эта величина буквой λ и измеряется в метрах.

Еще длиной волны можно назвать расстояние, пройденное волной, за один период колебания.

Период

Период — это время, за которое происходит одно колебание. То есть, если дано время распространения волны и количество колебаний, можно рассчитать период.

Формула периода колебания волны

T = t/N

N — количество колебаний [-]

Для электромагнитных волн есть целая шкала длин волн. Она показывает длину волны и частоту для разных типов электромагнитных волн.

Частота

Частота — это величина, обратно пропорциональная периоду. Она определяет, сколько колебаний в единицу времени совершила волна.

Формула частоты колебания волны

υ = N/t = 1/T

N — количество колебаний [-]

Скорость

Также важной характеристикой распространения волны является ее скорость.

Чтобы вывести формулу скорости через длину волны, нужно вспомнить формулу скорости из кинематики — это раздел физики, в котором изучают движение тел без учета внешнего воздействия.

Формула скорости

�� = S/t

Переходя к волнам, можно провести следующие аналогии:

• путь — длина волны
• время — период

А для скорости даже аналогия не нужна — скорость и Африке скорость.

Формула скорости волны

�� = λ/T

λ — длина волны [м]

Для электромагнитной волны скорость равна скорости света — �� = 3*10^8 м/с. Поэтому формулу скорости чаще всего используют для нахождения из нее длины волны или периода.

Задачка

Определить цвет освещения, проходящий расстояние, в 1000 раз больше его длины волны за 2 пс.

Решение:

Для начала переведем 2 пикасекунды в секунды — это 2*10^-12 с.

Теперь возьмем формулу скорости

По условию S = 1000λ

Выражаем длину волны

Подставляем значения скорости света и известного нам времени:

λ = 3*108* 2*10-121000 =600 нм

И соотносим со шкалой видимого света

Из шкалы видно, что длине волны в 600 нм соответствует оранжевый цвет излучения.

Ответ: цвет освещения при заданных условиях будет оранжевым.

Рубрика «Разрушаем мифы»

А теперь давайте немного о распространенных заблуждениях. Присаживайтесь поудобнее — этот разговор, к сожалению, не на пару минут.

Миф 1. Вышки 5G вредны для нашего здоровья

Одна из теорий против 5G гласит, что новый тип связи может стать причиной раковых заболеваний. Справедливости ради — такие же обвинения не раз поступали в адрес 2G, 3G, 4G и более ранних поколений беспроводных сетей.

Стандарт 5G может использовать разные частотные диапазоны. Как правило, это низкий диапазон 600 МГц, а также средние частоты 2,5 ГГц, 3,5 ГГц и 3,7–4,2 ГГц.

В России «Государственная комиссия по радиочастотам» (ГКРЧ) рекомендует для выделения и использования под 5G частотный диапазон 27,1-27,5 ГГц. Американским операторам также скоро будут доступны диапазоны 37 ГГц, 39 ГГц и 47 ГГц.

Диапазон от 30 ГГц (миллиметровые волны) относится к так называемому спектру крайне высоких частот — и именно он вызывает большинство опасений по поводу вреда 5G для здоровья человека. Все еще недостаточно исследований, которые изучают влияние высоких частот на организм.

Тем не менее, известно, что даже в верхнем диапазоне излучение 5G не обладает достаточной энергией для разрушения человеческой ДНК или влияния на клетки. А значит, не может вызвать рак и не представляет опасность для нашего организма. По этой же причине нельзя верить в теорию, что 5G убивает птиц — этому излучению просто не хватит сил, чтобы кого-то убить.

К опасному излучению относятся волны, распространяемые на частотах от 30 ПГц (петагерц) — утрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи. Они могут влиять на атомную структуру клеток и разрывать химические связи в ДНК. Именно поэтому, например, врачи советуют избегать долгого пребывания на солнце.

Миф 2. Шапочки из фольги защищают от вредного излучения

Кстати, они наоборот любую электромагнитную волну усиливают. Это доказали студенты из MIT (Массачусетский технологический институт), которые исследовали это опытным путем.

Ребята установили антенну в четырех частях от головы добровольцев: на лбу, затылке, висках и в районе мозга. И сравнивали показатели радиосигнала в шапочке для фольги и без нее. Оказалось, что сигнал не ослабляется, а усиливается. Так что шапочка вас не спасет от вредного излучения, а наоборот — только усилит сигнал.

Миф 3. Микроволновки убивают еду, и она становится неживой

Электромагнитный фон возле СВЧ-печей выше больше, чем природный более, чем в миллион раз, но вреда человеку не наносит. Санитарные требования к этим приборам очень жёсткие, поэтому опасности микроволновка не представляет. Например, благодаря системе блокировки дверцы генерация микроволнового излучения прекращается, когда дверца открыта. Также в микроволновке обязательно должна быть система защиты от утечки излучения. Гораздо опаснее электромагнитные излучения от солнца или солярия, потому что там есть ультрафиолет, который легко повреждает клетки кожи человека.

Продукты становятся теплее за счёт нагревания в них воды. И когда мы их греем, могут образовываться радикалы — но это происходит при любом способе теплового воздействия. Например, при жарке могут образовываться ещё и канцерогены.

Наш организм способен бороться с небольшим количеством «вредных» радикалов благодаря иммунитету. При нагревании пищи образуется то количество радикалов, с которым организм способен бороться, поэтому ничего страшного ни в микроволновке, ни в кастрюле, в которой вы греете суп, нет.

Механические волны и их основные характеристики

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет.

Получите невероятные возможности

Конспект урока «Механические волны и их основные характеристики»

Данная тема посвящена механическим волнам и их основным характеристикам.

Ранее говорилось о колебаниях и колебательных системах. Колебательная система — это физическая система, в которой при отклонении от положения равновесия возникают и существуют колебания.

Реальные колебательные системы практически всегда расположены в какой-либо среде. Поэтому колебательная система может отдавать энергию частицам среды, непосредственно прилегающим к ней, вызывая их вынужденные колебания. Например, движение качелей происходит в воздухе, и, стоя возле них, можно ощущать движение воздуха.

Между молекулами вещества существуют силы взаимодействия, которые определяют его упругие свойства.

Если какие-то частицы в упругой среде выводятся из положения равновесия, то силы взаимодействия со стороны соседних частиц препятствуют этому и одновременно сами смещают соседние частицы. Вследствие взаимодействия между частицами колебательное движение передается от одной частицы к другой, и колебательный процесс распространяется в среде.

Процесс распространения колебаний в упругой среде, называется механической волной.

А тела, которые вызывают распространяющиеся в среде упругие механические волны, называются источниками волн или вибраторами.

В качестве модели возникновения и распространения механической волны можно рассмотреть движение двух поплавков на поверхности воды. Погрузим один из них в воду так, чтобы поплавок начал колебаться вверх-вниз. Вместе с поплавком смещаются соприкасающиеся с ним частицы воды, которые вовлекают в движение ближайшие к ним другие частицы, и от поплавка по всем направлениям распространяются волны. Эти волны вовлекают в колебательное движение второй поплавок, и от него появляются такие же волны.

Обратите внимание на то, что оба поплавка только колеблются возле положения равновесия, а волны распространяются от них во всех направлениях.

Рассмотрим модель еще более простой механической волны, которая распространяется только в одном направлении. Для этого возьмем резиновый шнур с нанизанными на него бусинами, один конец закрепим, а второй конец будем периодически двигать вверх-вниз возле положения равновесия

В качестве источника колебаний выступает рука, и пусть ее колебания, а, следовательно, колебания ближайшей от нее бусины, происходят вдоль оси Oy по закону синуса.

В записанном уравнении A — это амплитуда колебания бусины, которая подвержена нашим воздействиям, аргумент синуса — это фаза колебания, а T — период колебаний.

На рисунке видны положения бусин на шнуре через определенную часть периода колебаний.

Из рисунка видно, что при распространении волны, во-первых, смещение каждой точки шнура от положения равновесия происходит с течением времени периодически; а во-вторых, смещения всех точек шнура в каждый момент времени периодически изменяются от точки к точке, то есть являются периодической функцией координат.

Иногда говорят, что при распространении волны происходит перемещение фазы колебания от точки к точке с определенной скоростью.

Фазовой скоростью называется скорость распространения какой-либо фазы от одной точки среды к другой.

Геометрическое место точек среды, колеблющихся в одинаковых фазах, образуют волновую поверхность.

А волновая поверхность, отделяющая колеблющиеся частицы среды от частиц, которые еще не начали колебаться, называют фронтом волны.

В зависимости от формы фронта волны, различают волны плоские, сферические и так далее.

В плоской волне волновые поверхности представляют собой плоскости, перпендикулярные к направлению распространения волны.

А в сферической волне волновые поверхности представляют собой концентрические сферы. Такая волна распространяется с одинаковой скоростью по всем направлениям.

Распространение колебательного движения в среде с определенной скоростью называется бегущей волной.

Рассмотрим ее более подробно. Пусть волна вдоль шнура распространилась до точки с координатой х. Бусина в этой точке имеет такую же фазу колебаний, как и первая, но в более поздний момент времени распространения волны, то есть отстает во времени на x/v.

Следовательно, уравнение колебаний бусины вдоль оси Oy около положения ее равновесия, имеющего координату x, будет повторять уравнение колебаний первой бусины, но с соответствующим отставанием по фазе.

Это уравнение называют уравнением плоской бегущей монохроматической волны, при этом полагают, что затуханием волны в процессе ее распространения можно пренебречь.

Важно понимать, что при распространении бегущей механической волны частицы среды не перемещаются вместе с волной, а только совершают колебания около своих положений устойчивого равновесия. Поэтому бегущая волна не переносит вещество, а переносит энергию колебательного движения.

В зависимости от направления колебаний частиц среды относительно направления распространения волны, различают поперечные и продольные волны.

Поперечной волной называется распространение колебательного процесса в среде, при котором частицы среды колеблются перпендикулярно направлению распространения волны. Рассмотренный пример колебаний шнура является моделью возникновения и распространения поперечной волны.

Продольной волной называется распространение колебательного процесса в среде, при котором частицы среды колеблются вдоль направления распространения волны. Примером продольных волн может служить распространение колебательного процесса вдоль ряда шариков, которые скреплены друг с другом одинаковыми пружинками.

Вид волны зависит от вида деформации среды. Продольные волны обусловлены деформацией растяжения и сжатия, поперечные — деформацией сдвига. Поэтому в газах и жидкостях, в которых упругие силы возникают только при сжатии, распространение поперечных волн невозможно. А продольные волны могут возникать и распространяться в веществе, находящимся в любом состоянии: твердом, жидком и газообразном.

Необходимо отметить, что распространение механических волн определяется передачей энергии колебательного движения от одной частицы к другой. Эта переносимая волной энергия равна сумме кинетических энергий колеблющихся частиц и потенциальной энергии упругой деформации среды.

И так, механическая волна — это процесс распространения колебательного движения в среде от частицы к частице, обусловленный взаимодействием между ними. Следовательно, скорость распространения механических волн в среде должна зависеть от сил взаимодействия между частицами среды.

При рассмотрении механических деформаций говорилось, что силы взаимодействия в веществе зависят от свойств молекул или атомов и расстояний, на которых они находятся. А опыты по изучению механических волн показывают, что скорость их распространения в однородной среде тем больше, чем меньше плотность вещества и чем более упругим оно является.

Так как различные виды упругой деформации характеризуются количественно отличающимися коэффициентами, то поэтому, например, в твердых телах продольные волны распространяются быстрее, чем поперечные.

Волне присущи все характеристики, которые соответствуют колебательному движению: амплитуда, период колебания и частота.

Амплитуда — это максимальное смещение тела от положения равновесия.

Промежуток времени, в течение которого тело совершает одно полное колебание — это период.

А число колебаний в единицу времени называется частотой колебаний.

Также для характеристики волн применяют понятие «длина волны», которое можно ввести двумя способами:

И так, длиной волны называется расстояние, на которое распространяется колебательный процесс в среде за время, равное периоду колебаний ее частиц;

Или длина волны — это расстояние между двумя ближайшими точками бегущей волны, которые колеблются в одинаковой фазе.

В том, что эти два варианта определения длины волны равноправны, легко убедиться, проанализировав развитие волнового процесса, представленного на рисунке.

Если известны период и скорость распространения волны, то, согласно первому варианту определения, длины волны равна произведению ее скорости и периода.

Период волны определяется источником колебаний, а скорость обусловлена свойствами среды, поэтому при распространении колебательного процесса из одной среды в другую изменяются и скорость, и длина волны, а вот частота и период не изменяются.

Также механическим волнам присущи явления интерференции и дифракции, которые являются характерными признаками волновых процессов любой природы.

Интерференция представляет собой явление увеличения или уменьшения амплитуды результирующей волны в результате сложения двух или нескольких волн с одинаковыми периодами колебаний.

Для наблюдения интерференционного максимума, то есть увеличения амплитуды, необходимо, чтобы разность хода волн равнялась целому числу длин волн.

А для наблюдения минимума, разность хода должна равняться нечетному числу длин полуволн.

При этом необходимым условием интерференции является когерентность двух источников, то есть они должны испускать волны одинаковой частоты с постоянной разностью фаз.

Дифракция представляет собой явление отклонения волн от прямолинейного распространения и огибание ими препятствий. При этом следует помнить, что явление дифракции проявляется только тогда, когда размеры препятствий соизмеримы с длиной волны.

Волны, как и колебания, не могут существовать бесконечно долго. В окружающем мире мы часто наблюдаем возникновение и исчезновение (затухание) волн. Затуханием волны называется уменьшение ее амплитуды в процессе распространения. Колебательному движению частиц среды препятствуют силы сопротивления, в результате этого энергия колебательного движения частиц переходит во внутреннюю энергию вещества, и волны затухают.

Основные выводы:

Вспомнили, что называют механической волной. Рассмотрели особенности распространения волн. А также повторили виды волн и их основные характеристики.