Механические волны, характеристики

Понятие механическая волна.

Механические волны – процесс распространения механических колебаний в среде (жидкой, твердой, газообразной).

 Следует запомнить, что механические волны переносят энергию, форму, но не переносят массу.

Характеристики волны: длина волны, период, частота

Важнейшей характеристикой волны является скорость ее распространения. Волны любой природы не распространяются в пространстве мгновенно, их скорость конечна.

Длина волны – это расстояние, на которое распространится волна за время, равное одному периоду.  λ = vT

Так как период и частота связаны обратным отношением:

Поперечные и продольные волны

 Различают два вида механических волн: поперечные и продольные.

1.Поперечные волны:

Если один конец шнура закрепить и слегка натянув шнур рукой, привести другой его конец в колебательное движение, то по шнуру побежит волна. Скорость волны будет тем больше, чем сильнее натянут шнур. Волна добежит до точки закрепления шнура, отразится и побежит обратно. В этом опыте при распространении волны происходит изменение формы шнура. Каждый участок шнура колеблется относительно своего неизменного положения равновесия.

Обратим внимание, на то, что при распространении волны вдоль шнура колебания распространяются  в направлении перпендикулярном направлению распространения волны.

Волны называются поперечными, если частицы среды колеблются перпендикулярно (поперек) лучу волны. Они существуют в основном за счет сил упругости, возникающих при деформации сдвига, а поэтому существуют только в твердых средах.

На поверхности воды возникают поперечные волны, так как колеблется граница сред.

 В поперечных волнах различают горбы и впадины.

Длина поперечной волны - расстояние между двумя ближайшими горбами или впадинами

2. Продольные волны:

Продольную волну можно наблюдать на длиной мягкой пружине большого диаметра. Ударив ладонью по одному из концов пружины, можно заметить, как сжатие бежит по пружине.

Волны называются продольными, если частицы среды колеблются вдоль луча волны.

Они возникают за счет деформации сжатия и напряжения, поэтому существуют во всех средах.

 В продольных волнах различают зоны сгущения и зоны разряжения.

Длина продольной волны - расстояние между двумя ближайшими зонами сгущения и разряжения

В твердых телах скорость продольных волн больше поперечных.

Это учитывается при определении расстояний от очага землетрясения до сейсмической станции. Вначале на станции регистрируется продольная волна, так как ее скорость в земной коре больше, чем поперечная. Спустя некоторое время фиксируется поперечная волна, возбуждаемая при землетрясении одновременно с продольной.

Зная скорости продольных и поперечных волн в земной коре и время запаздывания поперечной волны, можно определить расстояние от очага землетрясения.

Звуковые волны.

В прозрачной среде – воздухе или жидкости волны невидимы. Но при определенных условиях их можно услышать. Ухо человека воспринимает в виде звука колебания, частота которых лежит в пределах от 17 до 20 000 Гц. Такие колебания называются акустическими.

Акустика- это наука о звуке.

Любое тело (твердое, жидкое или газообразное), колеблющееся со звуковой частотой, создает в окружающей среде звуковую волну. Звук распространяется в воздухе, воде и твердых телах. Хорошо проводит звук земля. В вакууме звуковые волны распространяться не могут.

Плохо распространяет звук: войлок, пористые панели, прессованная пробка. Эти пробки используют для звукоизоляции.

Задачи:

1. Определить длину волны при частоте 200Гц, если скорость распространения волн равна 340 м/с.

2. Определить скорость звука в воде, если источник звука, колеблющийся с периодом 0,002с, возбуждает в воде волны 2,9м

3. Волна в первой среде имеет длину волны λ₁, а после перехода во вторую среду λ₂. Определить скорость распространения во второй среде, если скорость распространения в первой среде v₁.

4. Определить расстояние между ближайшими точками бегущей волны, лежащими на одном луче, которые колеблются водной фазе, если скорость распространения волны 5000 м/с, а частота 100Гц.

5. Период колебания точек 0,01 с, а скорость распространения волн 340 м/с. Определить разность фаз двух точек, лежащих на одном луче, если расстояние между точками равно: 1) 3,4м; 2) 1,7м; 3) 0,85м

6. По поверхности воды в озере волна распростра­няется со скоростью 6м/с. Каковы период и частота колеба­ний бакена, если длина волны 3м?

7. Рыболов заметил, что за 10с поплавок совершил на волнах 20 колебаний, а расстояние между соседними горба­ми волн 1,2м. Какова скорость распространения волн?

Домашнее задание:

Задачи:

1. На озере в безветренную погоду с лодки бросили тяжелый якорь. От места бросания якоря пошли волны. Человек, стоящий на берегу, заметил, что волна дошла до него через 50с, расстояние между соседними горбами волн 0,5м, а за 5с было 20 всплесков о берег. Как далеко от берега находилась лодка?

2. Длина звуковой волны в воздухе для самого низкого мужского голоса достигает 4,3м, а для самого высо­кого женского голоса 25см. Найти частоту колебаний этих голосов.

3. Частотный диапазон рояля от 90 до 9000 Гд. Найти диапазон длин звуковых волн в воздухе.

4. Во время грозы человек услышал гром через 15с после вспышки молнии. Как далеко от него произошел разряд?