Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Фишбейн, колебания

.pdf
Скачиваний:
52
Добавлен:
17.05.2015
Размер:
523 Кб
Скачать
☆

Решение

Из графика следует, что l1 =0,25 × 2 = 0,5мкм, а l2 =0,375 × 2 = 0,75 мкм. Так как при переходе из одной среды в другую w,v и T не меняются и l = uT , то

 

 

u2

 

=

l2 /T

=

 

l2

 

=0,75

=1,5.

 

 

 

 

u

 

l

 

 

 

 

 

 

l /T

 

0,5

 

 

 

 

1

 

 

1

 

1

 

 

 

/

 

чек

среды (

= 200

/ .

 

 

 

10. На рисунке представлен профиль поперечной бегущей волны, которая рас-

пространяется со скоростью

 

 

 

 

м с

Амплитуда скорости колебаний то-

 

 

 

 

 

в

 

 

 

 

м с)

равна …6,28

Решение

Из графика следует, что амплитуда колебаний частиц среды A = 5 ×10-2 м,

l = 10 м. Амплитуда колебаний скорости частиц среды

u max = A w = A

2p

. w -

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

T

частота колебаний, T -период.

Так как l = uT , то

T =

. Следовательно,

u

 

2p

 

2p

 

2p

 

 

 

 

 

u max = A w = A

= A

u = 5 ×10= -2

200

2p =6,28 м/с.

 

 

 

 

T

l

10

 

 

 

 

 

 

11. На рисунке представлен профиль= 200 поперечной/ . бегущей волны, которая распространяется со скоростью м с Уравнением данной волны является выражение …

(

,

) = ,

(

 

,

−

,

)

)

(

,

) = 0,05sin(125,6

 

− 0,628

 

(

,

) = 5cos(1256

− 6,28 )

)

 

 

(

,

) = 5cos(125,6

+ 0,628

 

 

40

Решение

 

 

 

(

 

,

) =

cos(

 

 

 

−

 

)

 

 

 

( ,

) =

sin(

 

 

−

 

 

),

 

 

 

 

 

 

 

 

где

–

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выберем уравнение плоской гармонической волны в виде (без φ )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ω

 

 

 

 

 

 

 

 

или

 

 

 

 

 

 

 

ω

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 0 −

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π λ

ω

 

 

 

 

 

амплитуда волны; ω – циклическая частота волны;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

волновое число;

 

 

 

длина волны; φ

 

 

 

 

 

начальная фаза.

= 2 /

 

 

/ −

 

= 0,05 ,

 

= 10 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 2 / = 6,28/10 = 0,628

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

=

 

Амплитуду длину

 

волны и начальную фазу можно определить из графи-

0,628 · 200 =

 

 

 

 

 

 

 

 

−0,628

 

)

или

 

 

( ,

) = 0,05sin(125,6

 

−

0,628

 

).

 

(

)В,= 0,05cos(125,6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ω

 

 

 

ка:

 

 

м

 

λ

 

 

 

 

м

 

 

 

Тогда

 

 

 

 

 

 

π λ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

м

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

125,6

с

 

 

и

 

 

 

уравнением

данной

волны

 

 

 

будет

 

 

 

 

выражение

cos(125,6 ) = 1

и график построен для

 

 

(0,

) = 0,05cos(125,6 ) = 0,05

 

 

 

 

 

 

 

 

 

случае, так

 

 

 

как

 

 

= 0 c.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

м,

 

 

то

 

 

 

первом

 

 

 

 

 

 

 

 

(0,

π) = 0,05sin(125,6 ) = 0,05

 

 

sin(125,6 ) = 1

и график построен для

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

правильный=

/(2 · 125,6) c.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

м,

 

то

 

Во

втором

 

 

случае, так

 

 

 

 

как

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

На сайте www.i-exam.ru

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ответ – первый.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

равна …

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 1000

 

/ .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12. На рисунке представлен профиль поперечной упругой бегущей волны, рас-

пространяющейся

 

со скоростью

 

 

 

 

 

 

 

 

м с

Циклическая

 

 

частота

 

 

волны

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

628

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

314

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1256

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2512

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 10 .

 

 

Так как λ

 

 

 

 

 

 

 

π ω

 

 

то

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Так как дано распределение смещения в упругой бегущей волне в про-

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

= 2

 

 

/

 

= 2

 

λ

= 2 1000 = 628 с .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

м

 

странстве, а не во времени, то из графика можно найти длину волны λ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=λ

 

 

= 2

 

/π ,

 

 

ω

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

рад

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

13. Две точки лежат на прямой, вдоль которой

распространяется волна со ско-

10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ростью 330 м/с. Период

колебаний 0,02 с,

расстояние

между

 

точками 55 см.

Разность фаз колебаний в этих точках составляет …

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

π

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

двумя точками волны, находящимися на рас-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Разность

фаз

 

Δφ

 

между

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

2

12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

стоянии

 

в один и тот же момент времени равна

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

41

 

=

 

 

−

 

 

 

Δφ = 2π

 

,

−

 

 

 

 

Δφ

π

υ

λ

π

где λ

υ

, υ

 

π

0,55

 

 

скорость распространения волны,

 

период колебаний. Таким

образом,

 

 

 

= 2

 

 

= 2

330 · 0,02 = 6.

 

 

 

 

 

 

 

 

14. Световые волны в вакууме являются …

поперечными

продольными

упругими волнами, скорость распространения которых в веществе больше, чем в вакууме

Решение

Световые волны – электромагнитные волны. В электромагнитной волне векторы напряженностей электрического и магнитного полей колеблются в плоскостях, перпендикулярных направлению распространения волны, следовательно, световые волны являются поперечными.

Примечание. Фазовая скорость гармонической монохроматической электромагнитной волны в веществе может быть больше скорости света в вакууме. Скорость, с которой переносится энергия совокупности электромагнитных волн в веществе (групповая), всегда меньше скорости света в вакууме.

15. Продольными волнами являются …

звуковые волны в воздухе

световые волны в вакууме волны, распространяющиеся вдоль струн музыкальных инструментов радиоволны

Решение

Световые волны и радиоволны– электромагнитные, т. е. поперечные волны. Струны музыкальных инструментов колеблются в поперечном направлении. Звуковые – продольные.

16. Для плоской волны справедливо утверждение …

–амплитуда волны обратно пропорциональна расстоянию до источника колебаний (в непоглощающей среде)

–волновые поверхности имеют вид концентрических сфер.

42

– амплитуда волны не зависит от расстояния до источника колебаний (при условии, что поглощением среды можно пренебречь).

Решение

Первое и второе утверждение относится к сферическим волнам, третье – к плоским.

43

ЭНЕРГИЯ ВОЛНЫ. ПЕРЕНОС ЭНЕРГИИ ВОЛНОЙ

Энергия волны в объеме V – W, Дж.

Объемная плотность энергии w = W – энергия волны в единице объема ве-

V

щества, Дж/м3.

Плотность потока энергии j = wu – энергия волны, переносимая через единичную площадку, перпендикулярную направлению распространения волны за единицу времени, Дж/с·м2.

Мощность излучения P = jS=^

 

 

wuS^

–

энергия

волны,

 

 

 

переносимая

 

через

участок площади S^

перпендикулярно направлению распространения волны за

единицу времени, Дж/с = Вт.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Усреднение <.... >производится по t

T – период

 

колебаний.

Для

световых

волн T

 

10-15 с.

Плоские гармонические волны

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Упругие

Электромагнитные

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x(=x,t)

Acos(wt - kx + j0 ).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E(x,t) = E0 cos(wt - kx + j0 ).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Объемная плотность энергии

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

w = rw2 A2 sin2 (wt - kx + j

),

 

 

 

 

 

 

 

w =

1

ee

E2

+

1

 

mm=H 2

 

 

 

ee=E2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

0

 

 

 

 

 

2

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

EH

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r – плотность среды.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

EH =

 

 

 

 

 

E, H – в среде,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

mm0ee0

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

c

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u

=

=

 

 

 

 

 

 

 

em

= - скорость света в среде, n =

em .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вектор Умова

ee0mm0

 

e0m0

 

 

n

 

 

 

 

 

Вектор Умова-Пойтинга

r

r

 

r r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r r

 

 

 

r

 

 

 

 

 

 

r r

r

r

 

 

 

 

j

= wu ­­ u, u– фазовая скорость волны,

 

 

 

j = =S

 

wu =[E × H ] ­­ u, k ,

 

 

 

 

j = wu.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S = wu = EH.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Средняя объемная плотность энергии

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

< w >=

1

rw2 A2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

<w> =

 

1

ee

E2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

0

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Интенсивность волны

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I =< w > u=

rw2 A2u.

 

 

 

 

 

 

 

I

=< w > u =

ee

 

E2u =

 

 

e0

nE 2

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

0

 

 

 

0

 

 

2

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n - коэффициент преломления среды.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для вакуума – I =< w > c

 

 

 

=ee

E2c =

 

 

e0

 

E 2 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

0

2

 

 

m0

0

 

Иногда знак < .... >усреднения плотности энергии не пишут.

44

Тесты с решениями

1. Если в электромагнитной волне, распространяющейся в среде с показателем

преломления

 

 

, значения напряженностей электрического и магнитного

полей соответственно равны

 

 

 

 

 

В м

 

 

 

 

А м

 

 

 

то объемная плотность

 

 

 

 

 

= 2

 

 

 

 

 

 

 

3

.

 

/ ,

= 2

 

/

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

энергии составляет…. 10 мкДж/м

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 750

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Мгновенная плотность потока энергии электромагнитной волны(модуль

вектора Умова – Пойнтинга) равна

где

 

 

 

 

°

 

 

 

 

 

 

 

плотность энергии,

 

 

С

другой

стороны

 

 

 

 

 

 

 

объемная

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

sin90

 

 

=

 

 

 

 

.

 

 

 

электромагнит-

 

скорость

электромагнитной волны в

среде,

 

 

скорость

 

 

 

 

 

 

 

= w ,

 

 

 

 

w −

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

ной волны в вакууме,

 

 

 

показатель преломления. Из равенства

 

 

 

/

−

 

 

 

 

 

 

 

−

 

 

 

 

 

 

w =

 

 

 

 

 

 

 

−

 

 

 

 

 

 

 

 

 

следует, что

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

w =

 

=

 

 

 

=

750 · 2 · 2

= 10 · 10

 

Дж

= 10

мкДж

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

м

 

 

 

 

м

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 · 10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Если в электромагнитной волне, распространяющейся в вакууме, значение

напряженности электрического поля равно

 

 

 

 

 

 

 

В м , объемная плотность

энергии

 

 

 

Дж м , то

 

напряженность магнитного поля составляет..

 

= 10

 

 

 

 

 

 

 

= 600

 

/

 

 

 

 

 

 

 

5 А м.

 

 

 

/

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

/

Мгновенная плотность потока энергии электромагнитной волны(модуль

вектора Умова – Пойнтинга) равна

где

 

 

°

объемная

плотность энергии,

 

С

другой

стороны

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

sin90

 

 

=

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

скорость света (в вакууме)=. Из ,равенства

−

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

w

 

 

 

= w

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

следует, что

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

= 3 · 10 · 10

 

= 5

 

А

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

м

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Показатель преломления среды, в которой распространяется электромагнит-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

600

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ная волна с напряженностями электрического и магнитного полей соответст-

венно

 

 

 

 

В м

 

 

 

А м

,

 

 

 

и

 

 

 

объемной

 

 

плотностью

энер

 

 

мкДж м , равен …..2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение

 

= 750

/ ,

 

= 2

/

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

/

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

w = 10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Плотность потока энергии электромагнитной волны(модуль вектора

Умова-Пойнтинга) равна:

 

 

 

 

 

 

 

 

°

 

.

 

С другой

стороны

 

 

 

 

где

 

объемная

плотность энергии,

 

 

 

 

скорость света в среде с коэф-

 

 

 

 

=

 

 

sin90 =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= w

=

фициентом преломления

 

,

−

скорость света (в вакууме). Из равенства

 

w / ,

 

 

w −

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

45

 

= w

= 10·10

·3

 

 

 

 

= 3000

= 2.

следует, что

 

10

 

 

 

 

= w

 

 

 

 

 

 

·

·

 

 

 

 

 

4. Если увеличить в 2 раза

амплитуду волны и при этом увеличить в2 раза ско-

 

750 2

 

 

 

 

1500

 

рость распространения волны (например, при переходе из одной среды в другую), то плотность потока энергии увеличится в ……8 раз(-а).

Решение

Средняя плотность потока энергии= w(интенсивность. волны)

 

Для упругой и электромагнитной волны имеем, соответственно,

 

−

 

 

−

 

 

1

εε

 

 

−

ний

 

−

 

1

ρ ω

 

 

−

 

где ρ плотность среды, =

 

 

амплитуда,

колебаний частиц среды, ω частота

 

 

=

 

 

,

 

амплитуда колеба-

колебаний, ε

 

диэлектрическая проницаемость среды,

 

 

 

2

 

 

 

2

 

 

 

 

электрического поля.

Следовательно, плотность потока энергии увеличится в 8 раз.

5. Если частоту упругой волны увеличить в2 раза, не изменяя ее скорости, то интенсивность волны увеличится в …..4 раз(-а).

Решение

Средняя плотность потока энергии (интенсивность волны)

 

 

Для упругой волны имеем,

 

1 ρ

ω

 

 

 

 

= w .

 

−

 

−

 

−

амплитуда колебаний частиц среды, ω

частота

где ρ

плотность среды,

 

 

=

 

 

,

 

 

колебаний. Таким образом, если

частоту упругой волны увеличить в2 раза, не

 

2

 

 

 

 

изменяя ее скорости, то интенсивность волны увеличится в 4 раза.

6. Если частоту упругой волны увеличить в2 раза, не изменяя ее длины волны, то интенсивность волны увеличится в …8 раз(-а).

Решение

Средняя плотность потока энергии= w(интенсивность. волны)

Для упругой волны имеем

46

 

−

 

 

−

 

 

1

ρ

 

ω

 

 

λω

−

частота

где ρ плотность среды,

 

 

амплитуда колебаний частиц среды, ω

 

 

 

 

=

2

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

колебаний. Так как

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−

 

 

λ

 

 

 

π

 

то

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ω

 

 

 

π

 

 

 

λ длина волны. Если

частота

увеличится

в два раза при постоянной длине

 

 

=

 

= 2

 

 

,

 

=

 

 

,

 

 

волны, то это значит, что в 2 раза увеличится

скорость волны. Тогда

 

 

 

2

 

 

 

 

увеличится в 8 раз.

 

 

=

1 ρ

 

ω

 

 

 

1π ρλ

ω

 

 

 

 

2

 

 

 

 

= 4

 

 

 

 

 

 

 

=4

7.=Плоская0,55 электромагнитная/ , волна распространяется в диэлектрике с проницаемостью ε . Если амплитудное значение электрического вектора волны

=мВ8,85м ·то10интенсивность/ волны равна …8. (Электрическая10 постоянная равна ε Ф м.) Полученный ответ умножьте на и округлите

до целого числа.)

Решение

 

 

Средняя плотность потока энергии (интенсивность волны)

 

Для электромагнитной волны имеем =

w .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

εε

 

 

 

 

амплитуда колебаний элек-

где ε диэлектрическая проницаемость среды,

 

 

трического поля,

 

 

 

 

 

 

 

 

= 2

 

 

,

 

−

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ε

. Тогда

 

 

 

 

 

 

 

−

 

 

 

 

 

=

 

/

, =

√

 

 

 

 

 

 

 

εε

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

εε

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1

3 · 10

√4 · 8,85 · 10

 

· (0,55 · 10 )

 

=

2

 

 

 

=Вт

 

√

=

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

,

 

 

√

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

м

 

 

 

 

 

 

 

 

Вт м

 

 

 

 

 

 

Таким образом, ответ –

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

= 8,03 · 10

 

 

 

 

.

 

 

 

8,03 · 10

 

 

/

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8. Плотность потока энергии, переносимой волной в упругой среде плотностью ρ, увеличилась в 16 раз при неизменной скорости и частоте волны. При этом амплитуда волны возросла в ….4 раз(а).

Решение

Средняя плотность потока энергии (интенсивность волны)

 

1

ρ

ω

,

Для упругой волны имеем

= 2

 

 

= w .

 

47

где ρ

−

плотность среды,

−

амплитуда колебаний частиц среды, ω

−

частота

колебаний. Тогда

 

=

2 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ρω

Если только интенсивность увеличилась в16 раз, то это значит, что амплитуда колебаний увеличилась в 4 раза.

9. В упругой среде плотностьюρ распространяется плоская синусоидальная волна с частотойω и амплитудой . При переходе волны в другую среду, плотность которой в2 раза меньше, амплитуду увеличивают в4 раза, тогда

объемная плотность энергии, переносимой волной, увеличится в …. 8

 

раз(-а).

Решение

 

w = 1 ρ ω ,

 

 

Среднее значение объемной плотности энергии равно

−

 

−

−

амплитуда колебаний частиц среды, ω

частота

где ρ плотность среды,

 

2

 

 

колебаний. За счет уменьшения плотности среды объемная плотность энергии уменьшится в 2 раза, а за счет увеличения амплитуды– увеличится в 16 раз, следовательно, объемная плотность энергии увеличится в 8 раз.

 

 

 

/

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и интенсивно-

10. В физиотерапии используется ультразвук частотой 800 кГц

стью

1 Вт м . При воздействии таким ультразвуком на мягкие ткани человека

плотностью 1060 кг м

амплитуда колебаний

 

молекул

будет равна… 2 °.

Решение

 

 

 

 

 

1 A = 10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ультразвуковых волн в теле человека равной1500 м с. От-

(Считать скорость

 

/

 

 

 

°

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.)

вет выразите в ангстремах (

 

 

 

 

 

м) и округлите до целого числа/

 

 

Средняя плотность потока энергии (интенсивность волны)

 

 

 

 

 

Для упругой волны имеем

 

 

1 ρ

 

ω

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= w .

 

 

 

 

 

−

 

где ρ

−

плотность среды,

 

−

амплитуда колебаний частиц среды, ω

частота

 

1·

 

=

·

2 ·1

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

2

 

 

π·

 

 

 

·

 

 

 

 

 

 

колебаний. Отсюда

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 2

 

 

= 2

 

8 10

 

 

 

 

 

= 2,2 10

 

= 2 A .

 

 

 

 

 

 

1,06 10

·

1,5 10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

·

м

 

°

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ρ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11. На рисунке показана ориентация

векторов

напряженности электрического

( )

и магнитного (

) полей в электромагнитной волне. Вектор плотности по-

тока

энергии электромагнитного

поля ориентирован в направлении …4.

 

48

Решение

Вектор плотности потока энергии электромагнитного поля (вектор Умова

– Пойнтинга) равен векторному произведению:

 

 

 

, где

 

и – соответ-

ственно векторы напряженностей

электрического и магнитного полей электро-

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

магнитной волны. Векторы ,

 

и

 

образуют правую

тройку

 

векторов, т. е.

если вращать правый винт

от вектора

к вектору

по кратчайшему пути, то

 

 

 

 

поступательное движение винта покажет

направление

вектора

 

. Значит, век-

тор Умова – Пойнтинга ориентирован в направлении 4.

 

 

 

 

12. На рисунке показана ориентация векторов напряженности электрического ( ) и магнитного ( ) полей в электромагнитной волне. Вектор Умова – Пойнтинга ориентирован в направлении …3.

Решение

Вектор плотности потока энергии электромагнитного поля (вектор Умова

– Пойнтинга) равен векторному произведению:

 

 

 

, где

 

и

 

– соответ-

ственно векторы напряженностей

электрического и магнитного полей электро-

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

магнитной

волны.

Векторы

,

 

и

 

образуют правую

тройку

 

векторов, т. е.

если вращать правый винт

от вектора

к вектору

по кратчайшему пути, то

 

 

 

 

 

 

направление

 

 

 

 

 

 

 

поступательное движение винта покажет

вектора

 

. Значит, век-

тор

Умова –

Пойнтинга

 

ориентирован

 

 

в

 

 

направлении3.

49