Колебания и волны. Звук. Ультразвук.

1.Колебания. Гармонические колебания. Характеристики колебаний: амплитуда, период, частота, циклическая частота, фаза.

Колебания — повторяющийся в той или иной степени во времени процесс изменения состояний системы около точки равновесия. Например, при колебаниях маятника повторяются отклонения его в ту и другую сторону от вертикального положения; при колебаниях в электрическом колебательном контуре повторяются величина и направление тока, текущего через катушку.

Гармоническое колебание — колебания, при которых физическая (или любая другая) величина изменяется с течением времени по синусоидальному или косинусоидальному закону. Кинематическое уравнение гармонических колебаний имеет вид:

х(t)=Asin(ωt+ϕ)или х(t)=Acos(ωt+ϕ), где х — смещение (отклонение) колеблющейся точки от положения равновесия в момент времени t; А — амплитуда колебаний; ω — циклическая частота; (ωt+ϕ) — полная фаза колебаний, ϕ — начальная фаза колебаний.

Характеристики:

• Амплитуда — максимальное отклонение колеблющейся величины от некоторого усреднённого её значения для системы, А (м)

• Период — промежуток времени, через который повторяются какие-либо показатели состояния системы (система совершает одно полное колебание), Т (с)

• Частота — число колебаний в единицу времени, ν (Гц, с−1).

• Период колебаний и частота — обратные величины;

ν = 1/Т и T=1/v

• В круговых или циклических процессах вместо характеристики «частота» используется понятие круговая (циклическая) частота (рад/с, Гц, с−1), показывающая число колебаний в единицу времени.

• ω=2π/Т=2πν

• Фаза колебаний — определяет смещение в любой момент времени, то есть определяет состояние колебательной системы.

2.Характеристики волновых процессов: фронт волны, луч, скорость волны, длина волны. Продольные и поперечные волны. Примеры.

Фронт волны - Множество точек, имеющих одновременно одинаковую фазу колебания. Фронт волны, как правило, перпендикулярен направлению распространения волны; он может быть плоским, сферическим или иметь более сложную форму. Каждая точка фронта является источником вторичных волн, которые через короткое время образуют фронт волны на новом месте.

Луч — Луч- это перпендикуляр к фронту волны. Акустические лучи, подобно световым, прямолинейны в однородной среде. Отражаются и преломляются на границе раздела 2-х сред. Если волна плоская — параллельные прямые.

Скорость волны - скорость распространения возмущения или скорость перемещения гребня волны в направлении ее распространения. Скорость волны определяется свойствами среды, в которой эта волна распространяется. При переходе волны из одной среды в другую ее скорость изменяется.

Длина волны - это расстояние, на которое распространяется волна за время, равное периоду колебаний в ней. Чтобы найти длину волны, надо скорость волны умножить на период колебаний в ней: λ=ʋТ

Волна называется поперечной, если частицы среды совершают колебания в направлении, перпендикулярном к направлению распространения волны (в струнах или упругих мембранах).

Волна называется продольной, если частицы среды совершают колебания в направлении распространения волны (звук, волны в газах и жидкостях, электромагнитные волны, волны на поверхностях разделения сред).