Волновое движение. Звук и его характеристики. Ультразвук. Переменное электромагнитное поле. Шкала электромагнитных волн, страница 3

Теперь рассмотрим колебания множества материальных точек, упруго связанных друг с другом, например, частицы упругого шнура (рисунок 1).

Выделим отдельные точки шнура 1,2,3,4,5,6.

Если частица 1 начинает совершать колебания, то вслед за ней начинает колебаться соседняя частица 2, за ней частица 3 и т.д.

Колебания, возникшие в упругой среде, не остаются на месте, а распространяются по всем направлениям. Распространение колебаний в пространстве называют волновым движением или волной. Каждая последующая точка (частица) повторяет движение предыдущей, но с некоторой разностью фаз. В нашем случае ,  и т.д. Чем дальше находится частица, тем позднее она вступает в колебания, тем больше у нее будет отличаться фаза:

,,

В данном примере колебания частицы происходят вдоль оси ОУ, а передача энергии, скорость волны вдоль оси ОХ. Такая волна называется поперечной. Поперечные волны возникают в твердой среде и на поверхности жидкостей.

Если колебания частицы совершаются по той же прямой, по которой распространяется волна, то такая волна называется продольной. Она распространяется и возникает в твердых, жидких и газообразных средах и представляется как ряд чередующих сгущений и разряжении среды.

Расстояние между двумя точками с разностью фаз  называется длиной волны и обозначается буквой. λ

Длина волны измеряется в метрах. На нашем чертеже длина волны соответствует расстоянию между точками 1 и 5.

Другой важнейшей характеристикой является скорость распространения волнового движения или скорость волны.

Из чертежа ясно, что волна за равные промежутки времени перемещается на равные расстояния, значит, движение волны будет равномерным и прямолинейным Х = vt. Если взять время, равное периоду колебаниячастицы t = Т, то волна переместится от точки 1 до точки 5, т.е. смещение волны составит. Значит, скорость волны будет v = , но 1/Т = ν Следовательно, v =.Скорость волны зависит от свойств: среды: скорость волны в воздухе составляет примерно 330 м/с, в воде 1 500 м/с, в стали 6000 м/с. А теперь напишем уравнение колебания для любой точки на оси ОХ. Если колебания точки 1 в какой-либо момент времени будет,то колебание другой точки, отстоящей от первой на некотором расстоянии Х, будет происходить с задержкой по времени на , т.е. . Время запоздания определяется временем движения волны на участке Х, т.е.

Учитывая это

Рассмотрим величину  подробнее:, а

 Обозначим это отношение буквой К=: и назовем волновым числом, а уравнение колебания любой точки или уравнение волны будет у =у_оsin(t - kх +).

Следует заметить, что с волной переносится энергия, но не вещество.

Множество точек, колеблющихся в одинаковых фазах, называется волновой поверхностью. Такие точки должны иметь r =const, в изотропной среде они должны находиться на одинаковом расстоянии от источника колебаний, следовательно, располагаться на сферической поверхности (рис. 3). Направление распространения волны называется лучом. На рис. 3 отрезки ОА и ОВ - лучи, и СД - волновая поверхность. В изотропной среде луч перпендикулярен поверхности. Иногда волновую поверхность называют фронтом волны.

В 1690 г. голландский физик Гюйгенс ввел для волнового движения правило, которое позднее назвали принципом Гюйгенса;

Каждая точка фронта волны является источником колебаний

 (рис. 3), Исходя из принципа Гюйгенса, можно объяснить - такие явления, как движение волны, дифракцию волны и т.д. На рисунке изображён фронт волны СД в какой-то момент времени. Точки 1, 2, 3 этого фронта создают колебания как источники.

Огибающая элементарных волн С₁Д₁ дает новое положение фронта волны. Таким образом, за некоторое время фронт волны переместится из СД в С₁Д₁.

Звук и его характеристики. Понятие об ультразвуке и инфразвуке

Одним из примеров волнового движения является звук. Источником звука является колеблющееся тело. Звуковые волны в воздухе относятся к продольным волнам. Человек с помощью уха воспринимает звуковые, волны с частотой примерно от 20 Гц до 20000 Гц. Волны этого диапазона являются звуковыми.