Розділ 4. Коливання та хвилі ( 4 год.)

Тема 6: Поширення механічних коливань у пружних середовищах. По­перечні та поздовжні хвилі. Довжина хвилі (2 год.).

Мета: Дати поняття про поширення коливань у пружних середовищах, довжину хвилі, пояснити утворення поперечних і поздовжніх хвиль; розвивати творчі здібності учнів; виховувати уважність, розвинути спостережливість. План

1. Механічні коливання та умови їх поширення. Механічна хвиля.

2. Види та характеристики механічних хвиль.

Література

1. В. Ф. Дмітрієва.Фізика.-К.:Техніка, 2008.-648 с.

2. С.У. Гончаренко. Фізика.-К.:Освіта,2012.-319 с.

О днією із властивостей суцільних середовищ є їх здатність передавати механічний рух. Тіло, що коливається, періодично зміщує частинки середовища, які містяться в безпосередній близьк ості до нього. Збудження коливань частинок середовища в одному місці викликає вимушені коливання частинок сусідніх, ті в свою чергу збуджують коливання наступних і так далі. Процес поширення коливань у просторі з часом називають хвилею. Процеси поширення хвилі тісно пов’язані з коливальними. По-суті, хвиля переносить звичайно саме коливальний рух: або періодичний, або затухаючий. Механічні хвильові процеси не можливі за відсутності суцільного середовища, в якому поширюються, або, як ще кажуть біжить хвиля. Важливо зазначити, що поширення хвиль не супроводжується перенесенням частинок середовища, - вони лише коливаються навколо положення рівноваги. Проте з хвилею переноситься енергія, відбувається поширення енергії в просторі від джерела коливань. Хвилею називають процес поширення коливань у просторі з часом. Як і коливання, хвилі за своєю фізичною природою поділяють на механічні та електромагнітні. Механічна хвиля - це процес поширення механічних коливань у пружному середовищі. Прикладом найпоширеніших механічних хвиль є звук, хвилі на поверхні рідин. Джерело хвилі - це коливальна система, яка під час коливань передає частину своєї енергії в навколишнє середовище. Ця передача має місце, коли частинки навколишнього пружного середовища беруть участь у коливальному процесі джерела. Якщо джерело хвиль знаходиться в пружному середовищі, що займає досить велику частину простору, тобто в суцільному середовищі (твердому тілі, рідині або газі), всі точки якого між собою пружно зв'язані, то збудження коливань частинок біля джерела зумовлює вимушені коливання сусідніх частинок, ті, в свою чергу, збуджують коливання наступних тощо.

2. Якщо частинки пружного середовища коливаються в площині, перпендикулярній до напряму поширення хвилі y, то таку хвилю називають поперечною (рис.5.1.7). Ця хвиля може поширюватися в твердих тілах або на поверхні рідин. Якщо частинки середовища коливаються в тій самій площині, в якій поширюється і сама хвиля, то хвилю називають поздовжньою (рис.5.1.8). Така хвиля поширюється в твердих тілах, рідинах і газах.

Як у поперечних, так і в поздовжніх хвилях процес поширення коливань не супроводжується перенесенням речовини в напрямі поширення хвилі. У кожній точці простору частинки лише здійснюють коливання відносно положення рівноваги. Але поширення коливань супроводжується передачею енергії коливань від однієї точки середовища до іншої.

Знайдемо формулу, що описує процес поширення коливань в середовищі. Нехай джерело хвиль коливається за гармонічним законом:

x = Asinwt,

де х - зміщення точки середовища; А - амплітуда коливань; w = 2pn - циклічна частота; t - час від початку коливань джерела хвиль. Напрям поширення хвилі називають променем.

Періодом Т хвилі є період коливань точок середовища під дією цієї хвилі. Частотою n хвилі називають величину, обернену періоду, яка дорівнює кількості коливань, здійснених за 1 с:

.

Графік коливань показує, як змінюється координата однією точки, що коливається, з часом. У хвилі коливаються всі точки, що її утворюють. Тому графік хвилі показує, як залежить координата всіх точок хвилі від їх положення у хвилі (рис.5.1.10).

Будь-яка хвиля має свою вищу і нижчу точки. Вищі точки хвильового руху називають – гребнями, а нижчі – западинами. Амплітуда – це максимальна висота гребеня чи глибина западини, виміряна відносно нульового рівня (або положення рівноваги); повний розмах коливань від гребеня до западини дорівнює подвійній амплітуді. Відстань між двома сусідніми гребнями називають довжиною хвилі. Синусоїдальні хвилі характеризуються ще частотою хвилі, під якою розуміють частоту коливань частинок середовища (частота коливань поплавця на поверхні хвилі). Частота хвилі дорівнює кількості гребенів хвилі, які проходять через дану точку за одиницю часу. Швидкість хвилі   називають швидкістю, з якою переміщується гребінь хвилі. Довжина хвилі, швидкість, період і частота n зв’язані співвідношеннями:

= uT; u = ν.

Дай відповідь

1. Що називають хвилею?

2. Які хвилі називають поперечними? Поздовжніми? Яка відмінність між ними? Наведіть приклади поперечних і поздовжніх хвиль?

3. Що називають періодом хвилі? Частотою? Довжиною хвилі?

4. Що беруть за швидкість поширення хвилі?

5. Напишіть формулу, яка пов'язує швидкість поширення хвилі з довжиною хвилі та частотою чи періодом.

Розв’яжи

1. Поплавок вудки за 10 с зробив на хвилях 20 коливань. Відстань між сусідніми гребенями хвиль становить 1,2 м. Яка швидкість поширення хвиль?

2. Човен коливається на морських хвилях з періодом 2с. Визначить довжину морської хвилі, якщо вона розповсюджується з швидкістю 4 м/с.

3. Визначить довжину хвилі, якщо дві точки середовища, розміщені на одному промені на відстані 0,8 м, здійснюють коливання з різницею фаз p/8.