Механические волны. Основные понятия.

Упругая волна

Если тело находится в упругой среде, то колебательное движение деформирует эту среду.

Из-за взаимодействия соседних частиц среды деформация передается от одних участков к другим.

Это и есть волна.

Например, волна на озере, если бросить камень: камень вызывает деформацию, которая распространяется в упругой среде - воде.

Виды волн

Волны могут быть поперечными и продольными.

Если один или несколько шариков сместятся в направлении, перпендикулярном цепочке, то возникает деформация сдвига. В результате вдоль цепочки побежит поперечная волна. Поперечные волны могут существовать только в твердых телах.

В продольных волнах шарики испытывают смещение вдоль цепочки, а пружинки растягиваются или сжимаются

В жидкостях или газах деформация такого рода сопровождается уплотнением или разрежением.

Такие волны могут распространятся в любых средах - твердых, жидких и газообразных.

Характеристики волны

Длина волны - это расстояние между двумя ближайшими горбами или впадинами поперечной волны, или расстояние между двумя ближайшими сгущениями или разрежениями продольной волны.

Скорость волны - это скорость распространения колебаний.

За скорость волны принимают скорость перемещения

гребня или впадины в поперечной волне, сгущения

или разрежения в продольной волне.

Скорость распространения волны и длина волны зависят от среды, в которой они распространяются.

Название

Обозна

Еди

Смещение

чение

ница изме- рения

Амплитуда

x

Определение

Период

A

м

м

Отклонение от положения равновесия

T

Частота

n

Наибольшее отклонение от положения равновесия

с

Время одного полного колебания

Длина

Гц

Скорость

v

волны

λ

волны

Число колебаний в 1с

Расстояние между ближайшими сгущениями или разрежениями, или горбами или впадинами волны

м

м/с

Скорость перемещения горба или впадины, сгущения или разряжения

Волны в природе

Волны, наблюдаемые в природе, нередко переносят огромную энергию и являются причиной разрушений. Например, морские волны, а особенно цунами, обладают большой мощностью. Сейсмические волны распространяются в земной коре при землетрясениях или мощных взрывах.

Предотвратить землетрясение невозможно, но их можно предсказать при помощи специального прибора - сейсмографа . Основная часть прибора - маятник, начинающий колебаться при появлении сейсмических волн.

Звуковая волна

Звук - это упругие волны в среде (часто в воздухе), которые невидимы, но воспринимаемые человеческим ухом (волна воздействует на барабанную перепонку уха). Звуковая волна является продольной волной сжатия и разрежения.

Если создать вакуум , то будем ли мы различать звуки?

Роберт Бойль в 1660 году поместил часы в стеклянный сосуд. Откачав воздух, он не услышал звука.

Опыт доказывает, что для распространения звука необходима среда.

Скорость звука

Звуковые волны распространяются не мгновенно, а с некоторой конечной скоростью

Именно поэтому во время грозы мы сначала видим молнию, то есть свет (скорость света гораздо больше скорости звука), а затем доносится звук.

В бегущей волне происходит перенос энергии

без переноса вещества.

Среда распространения

Звук может также распространятся в жидкой и твердой среде.

Под водой хорошо слышны удары камней. Положим часы на один конец деревянной доски. Приложив ухо к другому концу, можно ясно услышать тиканье часов.

Звуковая волна распространяется через дерево

Скорости звука

Углекислый газ

Среда

0

Воздух

Температура, °С

Скорость, м/с

259

0

Воздух

332

10

Воздух

338

30

Гелий

Водород

349

0

965

0

Керосин

128

15

Вода

1330

25

Медь

1497

20

Сталь

Стекло

4700

20

50006100

20

5500

В твердых телах скорость звука больше, чем в жидкостях и газах,

а в жидкостях больше, чем в газах.

Это связано с тем, что молекулы в жидкостях и твердых телах

расположены ближе друг к другу, чем в газах, и сильнее взаимодействуют.

Источники

звука

Источник звука - это обязательно колеблющиеся тела.

Однако опыт показывает, что не всякое колеблющееся тело является источником звука. Например, не издает звук грузик, подвешенный на нити. Дело в том, что человеческое ухо воспринимает не все волны, а только те, которые создают тела, колеблющиеся с частотой от 16 Гц до 20000 Гц.

Такие волны называются звуковыми.

Колебания с частотой меньше 16 Гц называется инфразвуком. Колебания с частотой больше 20000 Гц называются ультразвуком.

Характеристики звука

Звуки бывают разными. Для характеристики звука вводят специальные величины: громкость, высота и тембр звука.

Громкость звука зависит от амплитуды колебаний.

Чем больше амплитуда колебаний, тем громче звук.

Частота звуковой волны определяет высоту тона.

Чем больше частота колебаний источника звука,

тем выше издаваемый им звук.

Составляющая наибольшего периода (наименьшей частоты) называется основным тоном. Остальные составляющие звука - обертонами. Набор этих составляющих создает окраску, тембр звука..

Громкий звук

Человеческие голоса по высоте делят на несколько диапазонов.

Шумовой фон не должен превышать

55 дБ днем и 45 дБ ночью (нормальный разговор).

[децибел]

Максимальный звук может привести к временной глухоте, вследствие повреждения оболочки нервных клеток.

Диапазон частот

Применение ультразвука

Отражение волн

Проделаем опыт с генератором тока звуковой частоты, к которому подключён громкоговоритель (динамик), как показано на рис. «а». Мы услышим свистящий звук. На другом конце стола поставим микрофон, соединённый с осциллографом. На экране возникает синусоида с малой амплитудой, микрофон воспринимает звук.

Расположим теперь сверху над столом доску, как показано на рис.«б». Поскольку амплитуда на экране осциллографа возросла, значит, звук, доходящий до микрофона, стал громче.

Механические волны любого происхождения обладают способностью отражаться от границы раздела двух сред.

«Как аукнется,

так и откликнется»

Какому физическому явлению соответствует

эта пословица?

Эхолокация

Это способ определения местоположения тел по отраженным от них ультразвуковым сигналам. Широко применяется в мореплавании. На судах устанавливают гидролокаторы - приборы для распознавания подводных объектов и определения глубины и рельефа дна. На дне судна помещают излучатель и приемник звука. Излучатель дает короткие сигналы. Анализируя время задержки и направление возвращающихся сигналов, компьютер определяет положение и размер объекта отразившего звук.

УЗИ

Ультразвук широко используется в медицине для постановки диагноза и лечения некоторых заболеваний. В отличие от рентгеновских лучей его волны не оказывают вредного влияния на ткани. Диагностические ультразвуковые исследования (УЗИ) позволяют без хирургического вмешательства распознать патологические изменения органов и тканей. Специальное устройство направляет ультразвуковые волны с частотой от 0,5 до 15МГц на определенную часть тела, они отражаются от исследуемого органа и компьютер выводит на экран его изображение.

Преломление волн

Волны, бегущие по глубокой воде, распространяются в направлении красной стрелки. В месте набегания на мель волна преломляется, то есть изменяет направление распространения. Поэтому синяя стрелка, указывающая новое направление распространения волны, расположена иначе.

Это наблюдение показывает, что механические волны любого происхождения могут преломляться при изменении условий распространения, например, на границе раздела двух сред.

Интерференция волн

Рассмотрим распространение с наложением друг на друга

двух или более волн – явление интерференции .

К генератору тока звуковой частоты присоединим два динамика, соединённые параллельно. Приёмником звука будет микрофон, подключённый к осциллографу.

В пространстве, где распространяются несколько волн, их интерференция может приводить к возникновению чередующихся областей с усилением и ослаблением колебаний.

Дифракция волн

Дифракцией называется отклонение волн от прямолинейного распространения в одной и той же среде, приводящее к огибанию ими препятствий.      

Волны, бегущие к нам издалека, заслоняются большой скалой слева, но при этом частично огибают её. Скала меньших размеров справа и вовсе не является преградой для волн: они полностью её огибают, распространяясь в прежнем направлении.

Опыты показывают, что дифракция наиболее отчётливо проявляется, если длина набегающей волны больше размеров препятствия. Позади него волна распространяется так, как будто препятствия не было.

Интернет-ресурсы

http://fizmat.by/kursy/kolebanija_volny/uprugie

http://xn--80aeonb4angg8f.net/ultrazvukovye-tekhnologii/ultrazvukovye-tekhnologii

http://www.ispring.ru/

http://www.fizika.ru/proverka/index.php?id=11040&mode=proverjalka&theme=11

http://wreferat.baza-referat.ru/%D0%A3%D0%BB%D1%8C%D1%82%D1%80%D0%B0%D0%B7%D0%B2%D1%83%D0%BA%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%8F_%D0%B4%D0%B5%D1%84%D0%B5%D0%BA%D1%82%D0%BE%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%BF%D0%B8%D1%8F

Интернет-ресурсы

http://festival.1september.ru/articles/634136/

http://u3493.dolphin.vps-private.net/?page=5&keys=язва&op=поиск&form_build_id=form-tJkDSeeuO_VPuSw4Buj3IZ7V1Ek7TQgOEspFs7O7kZM&form_id=advanced_sphinx_search_b

http://multiurok.ru/fotiniya2015/files - сайт автора работы