Презентация к уроку физики в 11 классе "Механические и электромагнитные волны"

Человек  никогда  не   устает смотреть   на   три   вещи  в этом мире: на звездное небо над головой, на пылающий огонь и на падающую воду.

Д/З §29-32,35,39, стр.130№1-3

09/10/2022

Механические и электромагнитные волны

1. Механические волны

Явление распространения колебаний в пространстве с течением времени называется механической волной .

Волна - распространение колебаний в пространстве с течением времени.

волна

электромагнитная

механическая

Условия возникновения механической волны :

1. Наличие упругой среды.

2. Наличие источника колебаний.

Свойства волн

• Механические волны распространяются только в упругой среде.

• При распространении волны частицы колеблются около своих положений равновесия, а не перемещаются вслед за волной.

• Перенос энергии происходит без переноса вещества .

В зависимости от направления колебаний частиц и направления распространения волны различают волны поперечные и продольные .

1

Виды механических волн

Продольные

Поперечные

В зависимости от направления колебаний частиц и направления распространения волны различают волны поперечные и продольные .

1

Продольные волны

Волны, в которых частицы колеблются вдоль линии распространения волны, называются продольными.

Возникают в любой среде (жидкости, в газах, в тв. телах)

Поперечные волны

• Волны, в которых частицы колеблются перпендикулярно линии распространения волны, называют поперечными.

Возникают только в твердых телах, объясняется возникновением сил упругости при деформациях

Электромагнитные волны, в том числе и свет, являются поперечными.

1

Поперечная волна

Продольная волна

Появление поперечных волн в твердых телах объясняется возникновением сил упругости при деформациях сдвига.

17

Причина

Форма

Возникновение

Поперечные волны

Продольные волны

Деформация сдвига

Сжатие и растяжение

Сгущение - растяжение

Горб - впадина

Внутри среды

На границе двух сред

Характеристики волн.

1. Длина волны - расстояние между ближайшими точками колеблющимися в одинаковой фазе.

Длина волны

Длина волны - это расстояние между ближайшими точками, колеблющимися в одинаковых фазах

Характеристики волн.

2. Период - время за которое волна распространяется на длину волны.

Характеристики волн.

3. Скорость волны.

Задача №1

По поверхности воды в озере волна распространяется со скоростью 6 м/с. Каковы период и частота колебаний, если длина волны 3 м?

Рыболов заметил, что за 10 с поплавок совершил 20 колебаний на волнах. При этом расстояние между берегом и рыболовом 12 м и в этом расстоянии укладывается 10 гребней волны. Найдите скорость волны.

2. Уравнение бегущей волны

Бегущая волна – волна, которая при распространении в среде переносит энергию.

Уравнение бегущей волны

Уравнение волны позволяет в любой момент времени определить смещение данной точки среды, в которой распространяется волна.

Уравнение гармонической бегущей волны можно записать в виде:

s  =  s m sin (ω t  –  kx ),

где  k   — волновое число

Волново́е   число́  — это отношение 2π радиан к длине  волны : — пространственный аналог угловой частоты. 

Фазы колебаний двух точек, находящихся на расстоянии λ, отличаются на 2π, то есть колебания происходят в фазе.

-разность фаз

ВОЛНЫ В СРЕДЕ

Геометрическое место точек, в которых колебания происходят в одной фазе, называется  волновой поверхностью.

Луч — линия, перпендикулярная к волновой поверхности и к фронту волны. Направление луча указывает направление переноса энергии волной.

Фронт волны — геометрическое место точек, до которых дошло возмущение к данному моменту времени.

Волновой фронт также является волновой поверхностью.

Фронт волны отделяет часть пространства, в котором колебания уже есть, от части пространства, в которой колебания отсутствуют.

Плоская волна – это волна, волновые поверхности которой представляют собой совокупность параллельных друг другу плоскостей.

Пример плоской волны – волна, возникающая в цилиндре с газом, при совершении колебаний поршнем.

Сферическая волна – это волна, волновые поверхности которой представляют собой совокупность концентрических сфер

Примерами сферических волн служат волны, генерируемые точечным источником в однородной среде.

3. Электромагнитное поле. Электромагнитная волна.

Разновидность волн

История открытия электромагнитных волн

• Майкл Фарадей (1791-1867) английский физик

• В замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного поля возникает индукционный ток, что свидетельствует о действии в контуре сторонних сил (или о возникно­вении ЭДС индукции).

• 1831г: Любое изменение магнитного поля в окружающем пространстве вызывает появление индукционного электрического поля ⟶

История открытия электромагнитных волн

• Джеймс Максвелл (1831-1879)

английский физик

• Закон ЭДС индукции в трактовке Максвелла:

«Всякое изменение магнитного поля порождает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле, силовые линии которого замкнуты»

История открытия электромагнитных волн

• Джеймс Максвелл (1831-1879)

английский физик

• Гипотеза Максвелла:

«Изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле»

История открытия электромагнитных волн

• Однажды начавшийся в некоторой точке процесс изменения электромагнитного поля будет далее непрерывно захватывать все новые и новые области окружающего пространства. Распространяющееся переменное электромагнитное поле и есть электромагнитная волна

Графическое и математическое представление электромагнитной волны

• Магнитная волна поперечна и характеризуется двумя векторами :

-вектор напряженности электрического поля

-вектор индукции магнитного поля

Вектора и взаимно перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной скорости распространения волны

Графическое и математическое представление электромагнитной волны

Уравнение электромагнитной волны имеет вид:

Электромагнитные волны распространяются в пространстве с конечной скоростью ,

где =8,85419*10 -12 Ф/м –электрическая постоянная

=1,25664*10 -6 Гн/м –магнитная постоянная

Графическое и математическое представление электромагнитной волны

Рассчитаем скорость распространения электромагнитной волны в вакууме:

Скорость распространения электромагнитной волны в вакууме составляет с= =3*м/с

Графическое и математическое представление электромагнитной волны

Длина волны

λ= Т,

Циклическая частота

Период

Энергия электромагнитной волны W эм ~ 𝛚 4

Экспериментальное подтверждение существования электромагнитных волн

• Закрытый колебательный контур

Экспериментальное подтверждение существования электромагнитных волн

• Генрих Герц (1857— 1894) немецкий физик

• Значит, чтобы легче зафиксировать волну, необходимо, чтобы она была высокой частоты, следовательно нужно уменьшить емкость и индуктивность, а значит уменьшить количество витков в катушке и увеличить расстояние меду пластинами конденсатора .

• Энергия электромагнитной волны прямо пропорциональна четвертой степени частоты : W эм ~ν 4 .

Экспериментальное подтверждение существования электромагнитных волн

• Генрих Герц (1857— 1894) немецкий физик

• Вибратор- излучатель электромагнитных волн

Экспериментальное подтверждение существования электромагнитных волн

• Генрих Герц (1857— 1894) немецкий физик

• В определенный момент напряжение между шарами было больше напряжения пробоя и в искровом промежутке вибратора возникала электрическая искра , происходило излучение электромагнитных волн.
• Если частоты вибратора и приемника совпадали, происходил резонанс и в приемнике также появлялась искра

• Вибратор

• Приемник

Свойства электромагнитных волн

• Отражение: волны хорошо отражаются от металлического листа, причем угол падения равен углу отражения
• Поглощение: э-м волны частично поглощаются при переходе через диэлектрик
• Преломление: э-м волны меняют свое направление при переходе из воздуха в диэлектрик
• Интерференция -сложение волн от когерентных источников (подробнее изучим в оптике)
• Дифракция – отгибание волнами препятствий

Задача 1

• Определите скорость распространения υ поперечной волны в струне, площадь поперечного сечения которой S , если модуль силы ее натяжения F можно считать постоянным, а плотность вещества, из которого изготовлена струна равна ρ.

Задача 2

• Определить частоту звуковых колебаний в стали, если расстояние между ближайшими различающимися по фазе на Δ φ = 90° точками звуковой волны  ℓ  = 1,54 м. Скорость звуковых волн в стали  v  = 5000 м/с.

Задача 3

Плоская поперечная волна задана уравнением  s = 2 • 10~4 sin (628 t - 0,3х),  где s — смещение частицы в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны, х — расстояние вдоль луча от источника колебаний. Определите частоту колебаний V , скорость распространения волны и, длину волны X и амплитуду колебаний скорости каждой частицы и ускорения . Все величины в данном уравнении выражены в единицах СИ.

Задача 4

Точки, находящиеся на одном луче и удаленные от источника колебаний на L1=12м и L2=14,7м, колеблются с разностью фаз 3п/2 рад. Определите скорость распространения колебаний в данной среде, если период колебания источника 1мс.

Задача 5

Уравнение волны имеет вид x=sin 2,5 πt.

Найти смещение от положения равновесия, скорость и ускорение точки , находящейся на расстоянии r = 20 м от источника колебаний, для момента времени t=1c после начала колебаний. Скорость распространения колебаний v=100 м/c

• Определить разность фаз Δφ колебаний источника волн, находящегося в упругой среде, и точки этой среды, отстоящей на x=2 м от источника. Частота ν колебаний равна 5 Гц; волны распространяются со скоростью v=40 м/с.
• Точки, находящиеся на одном луче и удаленные от источника колебаний на L1=12м и L2=14,7м, колеблются с разностью фаз 3п/2 рад. модуль скорости звука в воздухе u=340 м/с. Частота колебаний одинакова...Гц
• Две точки находятся на расстоянии 6 и 12 м от источника колебаний. Найдите начальные фазы колебаний этих точек и их разность фаз, если период колебаний 0,04 с, а скорость их распространения 300 м/с

Определить разность фаз Δφ колебаний источника волн, находящегося в упругой среде, и точки этой среды, отстоящей на x=2 м от источника. Частота ν колебаний равна 5 Гц; волны распространяются со скоростью v=40 м/с.

V=l/T l=(L2-L1)*fi fi=3п/2 v=(L2-L1)*3п/2T

Точки,находящиеся на одном луче и удаленные от источника колебаний на L1=12м и L2=14,7м, колеблются с разностью фаз 3п/2 рад.модуль скорости звука в воздухе u=340 м/с. Частота колебаний одинакова...Гц

Две точки находятся на расстоянии 6 и 12 м от источника колебаний. Найдите начальные фазы колебаний этих точек и их разность фаз, если период колебаний 0,04 с, а скорость их распространения 300 м/с

При решении задач скорость звука в воздухе считается заданной и равной 330 м/с.

• Задача 1. Расстояние до преграды, отражающей звук, равно 66 м. Через сколько времени человек услышит эхо?

Задача 2.