Механічна хвиля переносить. Механічні хвилі: джерело, властивості, формули

Хвиля- Процес поширення коливань в пружному середовищі.

Механічна хвиля– механічні обурення, що розповсюджуються у просторі та несуть енергію.

Види хвиль:

поздовжні – частки середовища роблять коливання за напрямом поширення хвилі – у всіх пружних середовищах;

x

напрям коливань

точок середовища

поперечні – частки середовища здійснюють коливання перпендикулярно до напряму поширення хвилі – на поверхні рідини.

X

Види механічних хвиль:

пружні хвилі - поширення пружних деформацій;

хвилі на поверхні рідини.

Характеристики хвиль:

Нехай А вагається за законом:
.

Тоді В коливається із запізненням на кут
, де
, тобто.

Енергія хвилі.

- Повна енергія однієї частинки. Якщо частинок N, то де - Епсілон, V-обсяг.

Епсілон- Енергія в одиниці об'єму хвилі - об'ємна щільність енергії.

Потік енергії хвиль дорівнює відношенню енергії, що переноситься хвилями через деяку поверхню, до часу, протягом якого це перенесення здійснено:
, Ват; 1 ват = 1Дж/с.

Щільність потоку енергії – інтенсивність хвилі- Потік енергії через одиницю площі - величина, що дорівнює середньої енергії, що переноситься хвилею в одиницю часу за одиницю площі поперечного перерізу.

[Вт/м 2 ]

.

Вектор Умова- Вектор I, що показує напрямок поширення хвиль і рівний потокуенергії хвиль, що проходить через одиничну площу, перпендикулярну цьому напрямку:

.

Фізичні характеристики хвилі:

Коливальні:

1. амплітуда

Хвильові:

1. довжина хвилі

   швидкість хвилі

   інтенсивність

Складні коливання (релаксаційні) - від синусоїдальних.

Перетворення Фур'є– будь-яку складну періодичну функцію можна уявити сумою кількох простих (гармонічних) функцій, періоди яких кратні періоду складної функції – це гармонійний аналіз. Відбувається у аналізаторах. Підсумок – гармонійний спектр складного коливання:

А

0

Звук –коливання та хвилі, які діють на вухо людини та викликають слухове відчуття.

Звукові коливання та хвилі – окремий випадок механічних коливань та хвиль. Види звуків:

Тони- Звук, що є періодичним процесом:

1. простий - гармонійний - камертон

   складний – ангармонічний – мова, музика

Складний тон можна розкласти на прості. Найменша частота такого розкладання – основний тон, інші гармоніки (обертони) – мають частоти, рівні 2 та інші. Набір частот із зазначенням їх відносної інтенсивності – акустичний спектр.

Шум -звук зі складною тимчасовою залежністю, що неповторюється (шерех, скрип, оплески). Спектр – суцільний.

Фізичні характеристики звуку:

Характеристики слухового відчуття:

Висота- Визначається частотою звукової хвилі. Чим більша частота, тим вищий тон. Звук більшої інтенсивності – нижчий.

Тембр- Визначається акустичним спектром. Чим більше тонів, тим багатший спектр.

Гучність- Характеризує рівень слухового відчуття. Залежить від інтенсивності звуку та частоти. Психофізичний закон Вебера-Фехнера: якщо збільшувати роздратування геометричної прогресії(в однакове число разів), то відчуття цього роздратування зросте в арифметичної прогресії(На однакову величину).

, де Е - гучність (вимірюється у фонах);
- рівень інтенсивності (вимірюється у білах). 1 біл - зміна рівня інтенсивності, що відповідає зміні інтенсивності звуку в 10 разів. K-коефіцієнт пропорційності, залежить від частоти та інтенсивності.

Залежність між гучністю та інтенсивністю звуку – криві рівної гучності, побудовані на експериментальних даних (створюють звук частотою 1 кГц, змінюють інтенсивність, доки не виникне слухове відчуття, аналогічне відчуттю гучності досліджуваного звуку). Знаючи інтенсивність та частоту можна знайти фон.

Аудіометрія– метод виміру гостроти слуху. Прилад – аудіометр. Отримана крива – аудіограма. Визначається та порівнюється поріг слухового відчуття на різних частотах.

Шумометр – вимірювання рівня шуму.

У клініці: аускультація – стетоскоп/фонендоскоп Фонендоскоп – порожниста капсула з мембраною та гумовими трубками.

Фонокардіографія – графічна реєстрація фонів та шумів серця.

Перкусія.

Ультразвук- механічні коливання та хвилі з частотою вище 20кГц до 20 МГц. УЗ-випромінювачі - електромеханічні випромінювачі, засновані на п'єзоелектричному ефекті ( змінний струмдо електродів, між якими – кварц).

Довжина хвилі УЗ менша за довжину хвилі звуку: 1,4 м – звук у воді (1 кГц), 1,4 мм – ультразвук у воді (1 МГц). УЗ добре відбивається на межі кістка-окістя – м'яз. УЗ в тіло людини не проникне, якщо не змастити олією (повітряний шар). Швидкість поширення УЗ залежить від середовища. Фізичні процеси: мікровібрації, руйнування біомакромолекул, розбудова та пошкодження біологічних мембран, теплова дія, руйнування клітин та мікроорганізмів, кавітація. У клініці: діагностика (енцефалограф, кардіограф, УЗД), фізіотерапія (800 кГц), ультразвуковий скальпель, фармацевтична промисловість, остеосинтез, стерилізація.

Інфразвук– хвилі із частотою менше 20 Гц. Несприятлива дія – резонанс в організмі.

Вібрації. Корисна та шкідлива дія. Масаж. Вібраційна хвороба.

Ефект Доплера- Зміна частоти хвиль, що сприймаються спостерігачем (приймачем хвиль), внаслідок відносного руху джерела хвиль і спостерігача.

1 випадок: Н наближається до І.

2 випадок: І наближається Н.

3 випадок: наближення та віддалення І та Н один від одного:

Система: генератор УЗ – приймач – нерухома щодо середовища. Рухається об'єкт. Він приймає УЗ із частотою
, відображає її, посилаючи на приймач, який отримує УЗ хвилю із частотою
. Різниця частот – доплерівське зрушення частоти:
. Використовується визначення швидкості кровотоку, швидкості руху клапанів.

Для існування хвилі необхідне джерело коливання та матеріальне середовище чи поле, у яких ця хвиля поширюється. Хвилі бувають найрізноманітнішої природи, але вони підкоряються аналогічним закономірностям.

За фізичною природою розрізняють:

За орієнтацією обурень розрізняють:

Поздовжні хвилі - Зміщення частинок відбувається вздовж напряму розповсюдження; необхідно наявність серед сили пружності при стисканні; можуть поширюватися у будь-яких середовищах. Приклади:звукові хвилі

Поперечні хвилі Зміщення частинок відбувається упоперек напряму поширення; можуть розповсюджуватися лише у пружних середовищах; необхідно наявність серед сили пружності при зрушенні; можуть поширюватися лише у твердих середовищах (і межі двох середовищ). Приклади:пружні хвилі у струні, хвилі на воді

За характером залежності від часу розрізняють:

Пружні хвилі - механічні відшкодування (деформації), що розповсюджуються в пружному середовищі. Пружна хвиля називається гармонійною(синусоїдальної), якщо відповідні їй коливання середовища гармонійні.

Хвилі, що біжать - хвилі, що переносять енергію у просторі.

За формою хвильової поверхні : плоска, сферична, циліндрична хвиля.

Хвильовий фронт- геометричне місце точок, до яких дійшли коливання до даному моментучасу.

Хвильова поверхня- геометричне місце точок, що коливаються в одній фазі.

Характеристики хвилі

Довжина хвилі λ - відстань, на яку хвиля поширюється за час, що дорівнює періоду коливань

Амплітуда хвилі А - амплітуда коливань частинок у хвилі

Швидкість хвилі v - швидкість поширення обурень у середовищі

Період хвилі Т - період коливань

Частота хвилі ν - величина, обернена періоду

Рівняння хвилі, що біжить

У процесі поширення хвилі обурення середовища, що біжить, доходять до наступних точок простору, при цьому хвиля переносить енергію і імпульс, але не переносить речовину (частки середовища продовжують коливатися в тому ж місці простору).

де v -швидкість , φ 0 – початкова фаза , ω – циклічна частота , A– амплітуда

Властивості механічних хвиль

1. Відображення хвиль – механічні хвилі будь-якого походження мають здатність відбиватися від межі розділу двох середовищ. Якщо механічна хвиля, що поширюється серед, зустрічає своєму шляху якесь перешкода, вона може різко змінити характер своєї поведінки. Наприклад, на межі розділу двох середовищ з різними механічними властивостямихвиля частково відбивається, а частково проникає у друге середовище.

2. Заломлення хвиль – при поширенні механічних хвиль можна спостерігати і явище заломлення: зміна напряму поширення механічних хвиль при переході з одного середовища до іншого.

3. Дифракція хвиль – відхилення хвиль від прямолінійного поширення, тобто обгинання ними перешкод.

4. Інтерференція хвиль – складання двох хвиль. У просторі, де поширюються кілька хвиль, їх інтерференція призводить до виникнення областей з мінімальним та максимальним значеннями амплітуди коливань

Інтерференція та дифракція механічних хвиль.

Хвиля, що біжить по гумовому джгуту або струні, відбивається від нерухомо закріпленого кінця; при цьому утворюється хвиля, що біжить у зустрічному напрямку.

При накладанні хвиль може бути явище інтерференції. Явище інтерференції виникає при накладанні когерентних хвиль.

Когерентними називаютьхвилі, Що мають однакові частоти, постійну різницю фаз, а коливання відбуваються в одній площині.

Інтерференцією називається постійне у часі явище взаємного посилення та ослаблення коливань у різних точкахсередовища внаслідок накладання когерентних хвиль.

Результат суперпозиції хвиль залежить від того, у яких фазах накладаються один на одного коливання.

Якщо хвилі джерел А і Б прийдуть у точку З в однакових фазах, то відбудеться посилення коливань; якщо ж – у протилежних фазах, то спостерігається послаблення коливань. В результаті у просторі утворюється стійка картина чергування областей посилених та ослаблених коливань.

Умови максимуму та мінімуму

Якщо коливання точок А і Б збігаються по фазі і мають рівні амплітуди, то очевидно, що результуюче зміщення в точці залежить від різниці ходу двох хвиль.

Умови максимуму

Якщо різниця ходу цих хвиль дорівнює цілому числу хвиль (тобто парному числу напівхвиль) Δd = kλ , де k= 0, 1, 2, ..., то точці накладання цих хвиль утворюється інтерференційний максимум.

Умова максимуму :

А = 2x0.

Умова мінімуму

Якщо різниця ходу цих хвиль дорівнює непарному числу напівхвиль, це означає, що хвилі від точок А і Б прийдуть в точку С в протифазі і погасять один одного.

Умова мінімуму:

Амплітуда результуючого коливання А = 0.

Якщо Δd не дорівнює цілому числу напівхвиль, то 0< А < 2х 0 .

Дифракція хвиль.

Явище відхилення від прямолінійного поширення та обгинання хвилями перешкод називаєтьсядифракцією.

Співвідношення між довжиною хвилі (λ) та розмірами перешкоди (L) визначає поведінку хвилі. Дифракція найвиразніше проявляється, якщо довжина хвилі, що набігає більше розмірівперешкоди. Досліди показують, що дифракція існує завжди, але стає помітною за умови d<<λ де d – розмір перешкоди.

Дифракція – загальна властивість хвиль будь-якої природи, що відбувається завжди, але умови її спостереження різні.

Хвиля лежить на поверхні води поширюється убік досить великої перешкоди, яким утворюється тінь, тобто. хвильового процесу немає. Така властивість використовується при влаштуванні хвилеломів у портах. Якщо ж розміри перешкоди можна порівняти з довжиною хвилі, то за перешкодою спостерігатиметься хвилювання. Позаду нього хвиля поширюється так, начебто перешкоди був зовсім, тобто. спостерігається дифракція хвилі.

Приклади прояву дифракції . Чутність гучної розмови за рогом будинку, звуки у лісі, хвилі на поверхні води.

Стоячі хвилі

Стоячі хвилі утворюються при складанні прямої та відбитої хвилі, якщо у них однакова частота та амплітуда.

У струні, закріпленій обох кінцях, виникають складні коливання, які можна як результат накладання ( суперпозиції) двох хвиль, що розповсюджуються в протилежних напрямках і зазнають відображення та переображення на кінцях. Коливання струн, закріплених обох кінцях, створюють звуки всіх струнних музичних інструментів. Дуже схоже явище виникає під час звучання духових інструментів, зокрема органних труб.

Коливання струни. У закріпленій з обох кінців натягнутій струні при збудженні поперечних коливань встановлюються стоячі хвилі , причому у місцях закріплення струни повинні розташовуватися вузли. Тому в струні порушуються з помітною інтенсивністю тільки такі коливання, половина довжини хвилі яких укладається на довжині струни ціле число разів.

Звідси випливає умова

Довжинам хвиль відповідають частоти

n = 1, 2, 3...Частоти vn називаються власними частотами струни.

Гармонічні коливання із частотами vn називаються власними чи нормальними коливаннями . Їх називають також гармоніками. У випадку коливання струни є накладання різних гармонік.

Рівняння стоячої хвилі :

У точках, де координати задовольняють умову (n= 1, 2, 3, …), сумарна амплітуда дорівнює максимальному значенню – це опуклості стоячої хвилі. Координати пучностей :

У точках, координати яких задовольняють умові (n= 0, 1, 2, ...), сумарна амплітуда коливань дорівнює нулю - це вузлистоячої хвилі. Координати вузлів:

Утворення стоячих хвиль спостерігають при інтерференції біжучої та відбитих хвиль. На межі, де відбувається відображення хвилі, виходить пучність, якщо середовище, від якого відбувається відображення, менш щільне (a), і вузол – якщо більш щільне (б).

Якщо розглядати біжучу хвилю , то у напрямі її поширення переноситься енергіяколивального руху. В разі ж стоячої хвилі перенесення енергії немає , т.к. падаюча і відбита хвилі однакової амплітуди несуть однакову енергію у протилежних напрямках.

Стоячі хвилі виникають, наприклад, у закріпленій з обох кінців натягнутій струні при збудженні в ній поперечних коливань. Причому у місцях закріплень розташовуються вузли стоячої хвилі.

Якщо стояча хвиля встановлюється повітряному стовпі, відкритому з одного кінця (звукова хвиля), то відкритому кінці утворюється пучність, але в протилежному – вузол.

Хвильовий процес- Процес перенесення енергії без перенесення речовини.

Механічна хвиля- обурення, що розповсюджується в пружному середовищі.

Наявність пружного середовища – необхідна умова поширення механічних хвиль.

Перенесення енергії та імпульсу в середовищі відбувається внаслідок взаємодії між сусідніми частинками середовища.

Хвилі бувають поздовжні та поперечні.

Поздовжня механічна хвиля - хвиля, у якій рух частинок середовища відбувається у напрямі поширення хвилі. Поперечна механічна хвиля - хвиля, в якій частинки середовища переміщуються перпендикулярно до напряму поширення хвилі.

Поздовжні хвилі можуть поширюватися у будь-якому середовищі. Поперечні хвилі в газах та рідинах не виникають, тому що в них

відсутні фіксовані положення частинок.

Періодична зовнішня дія викликає періодичні хвилі.

Гармонійна хвиля- хвиля, що породжується гармонійними коливаннями частинок середовища.

Довжина хвилі- відстань, на яку поширюється хвиля за період коливань її джерела:

Швидкість механічної хвилі- Швидкість поширення обурення в середовищі. Поляризація - упорядкованість напрямів коливань частинок серед.

Площина поляризації- площину, у якій коливаються частки середовища у хвилі. Лінійно-поляризована механічна хвиля – хвиля, частки якої коливаються вздовж певного напрямку (лінії).

Поляризатор- Пристрій, що виділяє хвилю певної поляризації.

Стояча хвиля- хвиля, що утворюється в результаті накладання двох гармонійних хвиль, що поширюються назустріч один одному і мають однаковий період, амплітуду та поляризацію.

Пучності стоячої хвилі- Постановка точок, що мають максимальну амплітуду коливань.

Вузли стоячої хвилі- точки хвилі, що не переміщаються, амплітуда коливань яких дорівнює нулю.

На довжині l струни, закріпленої на кінцях, укладається ціле число п напівхвиль поперечних стоячих хвиль:

Такі хвилі називаються модами коливань.

Мода коливань довільного цілого числа n > 1 називається n-й гармонікою чи n-м обертоном. Мода коливань для n = 1 називається першою гармонікою чи основною модою коливань. Звукові хвилі- пружні хвилі серед, викликають в людини слухові відчуття.

Частота коливань, відповідних звукових хвиль, лежать у межах від 16 Гц до 20 кГц.

Швидкість поширення звукових хвиль визначається швидкістю передачі взаємодії між частинками. Швидкість звуку в твердому тілі v п, як правило, більша за швидкість звуку в рідині v ж, яка, у свою чергу, перевищує швидкість звуку в газі v р.

Звукові сигнали класифікують по висоті, тембру та гучності. Висота звуку визначається частотою джерела звукових коливань. Чим більша частота коливань, тим вищий звук; коливань малих частот відповідають низьким звукам. Тембр звуку визначається формою звукових коливань. Відмінність форми коливань, що мають однаковий період, пов'язана з різними відносними амплітудами основної моди та обертоном. Гучність звуку характеризується рівнем інтенсивності звуку. Інтенсивність звуку – енергія звукових хвиль, що падає на площу 1 м 2 за 1 с.

Хвилі. Загальні характеристики хвиль.

Хвиля - це явище поширення у просторі з часом зміни (обурення) фізичної величини що переносить із собою енергію.

Незалежно від природи хвилі, перенесення енергії здійснюється без перенесення речовини; останнє може виникнути лише як побічний ефект. Перенесення енергії- Важлива відмінність хвиль від коливань, у яких відбуваються лише «місцеві» перетворення енергії. Хвилі ж, як правило, здатні віддалятися на значні відстані місця свого виникнення. З цієї причини хвилі іноді називають « коливанням, що відірвалися від випромінювача».

Хвилі можна класифікувати

За своєю природою:

Пружні хвиліхвилі, що розповсюджуються в рідких, твердих та газоподібних середовищах за рахунок дії пружних сил.

Електромагнітні хвилі- обурення (зміна стану) електромагнітного поля, що поширюється в просторі.

Хвилі на поверхні рідини- умовна назва різноманітних хвиль, що виникають на поверхні розділу між рідиною та газом або рідиною та рідиною. Хвилі на воді відрізняються важливим механізмом коливання (капілярний, гравітаційний і т. д.), що призводить до різних законів дисперсії і, як наслідок, до різної поведінки цих хвиль.

По відношенню до напрямку коливань частинок середовища:

Поздовжні хвилі -частки середовища коливаються паралельноу напрямку поширення хвилі (як, наприклад, у разі поширення звуку).

Поперечні хвилічастки середовища коливаються перпендикулярнонапрями поширення хвилі (електромагнітні хвилі, хвилі на поверхнях поділу середовищ).

а – поперечні; б – поздовжні.

Хвилі змішаного типу.

По геометрії фронту хвилі:

Хвильова поверхня (фронт хвилі) - геометричне місце точок, яких дійшло обурення на цей час. В однорідному ізотропному середовищі швидкість поширення хвилі однакова по всіх напрямках, отже, всі точки фронту коливаються в одній фазі, фронт перпендикулярний напряму поширення хвилі, значення коливається у всіх точках фронту однакові.

Плоскахвиля - площини фаз перпендикулярні напряму поширення хвилі та паралельні один одному.

Сферичнахвиля – поверхнею рівних фаз є сфера.

Циліндричнахвиля – поверхня фаз нагадує циліндр.

Спіральнахвиля - утворюється у разі, якщо сферичне або циліндричне джерело/джерела хвилі в процесі випромінювання рухається деякою замкненою кривою.

Плоска хвиля

Хвиля називається плоскою, якщо її хвильові поверхні являють собою паралельні інші площині, перпендикулярні фазової швидкості хвилі. = f(x, t)).

Розглянемо плоску монохроматичну (одна частота) синусоїдальну хвилю, що розповсюджується в однорідному середовищі без згасання вздовж осі X. Якщо джерело (нескінченна площина) коливається за законом y=, то до точки з координатою x коливання дійде із запізненням на час .

,де

Фазова швидкість хвилі - швидкість руху хвильової поверхні (фронту),

– амплітуда хвилі – модуль максимального відхилення величини, що змінюється від положення рівноваги,

- циклічна частота, T - період коливання, - Частота хвилі (аналогічно коливанням)

k- хвильове число, має сенс просторової частоти,

Ще однією характеристикою хвилі є довжина хвилі м, це відстань, на яку хвиля поширюється за час одного періоду коливання, вона має сенс просторового періоду, це найкоротша відстань між точками, що коливаються в одній фазі.

y

Довжина хвилі пов'язана з хвильовим числом співвідношенням, що аналогічно тимчасовому співвідношенню.

Хвильове число пов'язане з циклічною частотою та швидкістю поширення хвилі

x
y
y

На малюнках представлені осцилограма (а) та моментальний знімок (б) хвилі із зазначеними тимчасовим та просторовим періодами. На відміну від стаціонарного коливання хвилі мають дві основні характеристики: тимчасову періодичність та просторову періодичність.

Загальні властивості хвиль:

1. 
   Хвилі переносять енергію.

Інтенсивність хвилі - середня за часом енергія, яку електромагнітна або звукова хвиля переносить в одиницю часу через одиницю площі поверхні, розташованої перпендикулярно напряму поширення хвилі. Інтенсивність хвилі пропорційна квадрату її амплітуди. I = W / t S, де W-енергія, t-час, S-площа фронту. I=[Вт/м2]. Також інтенсивність будь-якої хвилі може бути визначена I = wv де v - швидкість поширення хвилі (групова).

2. Хвилі чинять тиск на тіла (володіють імпульсом).

3. Швидкість хвилі в середовищі залежить від частоти хвилі - дисперсія. Таким чином, хвилі різних частот поширюються в одному і тому ж середовищі з різною швидкістю (фазова швидкість).

4. Хвилі огинають перешкоди – дифракція.

Дифракція спостерігається, якщо розмір перешкоди можна порівняти з довжиною хвилі.

5. На межі розділу двох середовищ хвилі відбиваються та заломлюються.

Кут падіння дорівнює куту відображення, а відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення є постійна величина для двох даних середовищ.

6. При накладенні когерентних хвиль (різниця фаз цих хвиль у будь-якій точці постійна у часі) вони інтерферують - утворюється стійка картина мінімумів та максимумів інтерференції.

Хвилі та збуджуючі їх джерела називаються когерентними, якщо різниця фаз хвиль не залежить від часу. Хвилі та збуджуючі їх джерела називаються некогерентними, якщо різниця фаз хвиль змінюється з часом.

Інтерферувати можуть лише хвилі, що мають однакову частоту, в яких коливання відбуваються вздовж одного й того ж напрямку (тобто когерентні хвилі). Інтерференція буває стаціонарною та нестаціонарною. Стаціонарну інтерференційну картину можуть давати лише когерентні хвилі. Наприклад, дві сферичні хвилі на поверхні води, що поширюються від двох когерентних точкових джерел, при інтерференції дадуть результуючу хвилю. Фронтом результуючої хвилі буде сфера.

При інтерференції хвиль немає складення їх енергій. Інтерференція хвиль призводить до перерозподілу енергії коливань між різними близько розташованими частинками середовища. Це не суперечить закону збереження енергії тому, що в середньому, для великої області простору, енергія результуючої хвилі дорівнює сумі енергій хвиль, що інтерферують.

При накладенні некогерентних хвиль середня величина квадрата амплітуди результуючої хвилі дорівнює сумі квадратів амплітуд хвиль, що накладаються. Енергія результуючих коливань кожної точки середовища дорівнює сумі енергій її коливань, обумовлених усіма некогерентними хвилями окремо.

7. Хвилі поглинаються середовищем. У міру віддалення джерела амплітуда хвилі зменшується, так як енергія хвилі частково передається середовищі.

8. Хвилі розсіюються в неоднорідному середовищі.

Розсіювання - обурення хвильових полів, викликані неоднорідностями середовища проживання і поміщеними у середу розсіюючими об'єктами. Інтенсивність розсіювання залежить від розміру неоднорідностей та частоти хвилі.

Механічні хвилі. Звук. Характеристика звуку .

Хвиля- обурення, що розповсюджується у просторі.

Загальні властивості хвиль:

• 
  переносять енергію;
• 
  мають імпульс (надають тиск на тіла);
• 
  на межі двох середовищ відбиваються та переломлюються;
• 
  поглинаються середовищем;
• 
  дифракція;
• 
  інтерференція;
• 
  дисперсія;
• 
  швидкість хвиль залежить від середовища, через яке проходять хвилі.

1. 
   Механічні хвилі.

Якщо в якомусь місці пружного (твердого, рідкого або газоподібного) середовища збуджені коливання частинок, то внаслідок взаємодії атомів і молекул середовища коливання починають передаватися від однієї точки до іншої з кінцевою швидкістю залежної від щільності та пружних властивостей середовища. Таке явище називається механічною або пружною хвилею. Зауважимо, що механічні хвилі що неспроможні поширюватися у вакуумі.

Частковий випадок механічних хвиль хвилі на поверхні рідинихвилі, що виникають і розповсюджуються по вільній поверхні рідини або на поверхні розділу двох рідин, що не змішуються. Вони утворюються під впливом зовнішнього впливу, у результаті якого поверхня рідини виводиться із рівноважного стану. При цьому виникають сили, що відновлюють рівновагу: сили поверхневого натягу та тяжкості.

Механічні хвилі бувають двох видів

Поздовжні хвилі, що супроводжуються деформаціями розтягування та стиснення, можуть поширюватися у будь-яких пружних середовищах: газах, рідинах та твердих тілах. Поперечні хвилі поширюються у тих середовищах, де з'являються сили пружності при деформації зсуву, тобто у твердих тілах.

Значний інтерес для практики становлять прості гармонійні або синусоїдальні хвилі. Рівняння плоскої синусоїдальної хвилі має вигляд:

- так зване хвильове число ,

– кругова частота ,

А - амплітуда коливання частинок.

На малюнку зображені «моментальні фотографії» поперечної хвилі у два моменти часу: t і t + Δt. За час Δt хвиля перемістилася вздовж осі OX на відстань t. Такі хвилі прийнято називати біжучими.

Довжиною хвилі λ називають відстань між двома сусідніми точками на осі OX, що коливаються в однакових фазах. Відстань, що дорівнює довжині хвилі λ, хвиля пробігає за період Т, отже,

λ = υT, де υ – швидкість розповсюдження хвилі.

Для будь-якої обраної точки на графіку хвильового процесу (наприклад, для точки A) з часом t змінюється координата x цієї точки, а значення виразу ωt – kxне змінюється. Через проміжок часу Δt точка A переміститься на осі OX на деяку відстань Δx = υΔt. Отже: ωt – kx = ω(t + Δt) – k(x + Δx) = constчи ωΔt = kΔx.

Звідси випливає:

Таким чином, синусоїдальна хвиля, що біжить, має подвійну періодичність - у часі і просторі. Тимчасовий період дорівнює періоду коливань T частинок середовища, просторовий період дорівнює довжині хвилі. Хвильове число є просторовим аналогом кругової частоти.

1. 
   Звук.

Звук- це поширені в пружних середовищах - газах, рідинах і твердих тілах - механічні коливання, що сприймаються органами слуху. Звук - хвиля з досить низькою інтенсивністю. Діапазон чутних звукових частот лежить у межах приблизно від 20 Гц до 20 кГц. Хвилі із частотою менше 20 Гц називаються інфразвуком, і з частотою понад 20 кГц – ультразвуком. Хвилі з частотами від до Гц гіперзвуком. Вивченням звукових явищ займається розділ фізики, який називають акустикою.

Будь-який коливальний процес описується рівнянням. Виведено воно і для звукових коливань:

Основні характеристики звукових хвиль

Суб'єктивне сприйняття звуку (Гучність, висота, тембр)

Об'єктивні фізичні характеристики звуку (швидкість, інтенсивність, спектр)

Швидкість звуку в будь-якому газоподібному середовищі обчислюється за такою формулою:

β - адіабатична стисливість середовища,

ρ – щільність.

1. 
   Застосування звуку

Добре відомі тварини, що мають здатність до ехолокації - кажани та дельфіни. За своєю досконалістю ехолокотори цих тварин не поступаються, а багато в чому і перевершують (за надійністю, точністю, енергетичною економічністю) сучасні ехолокотори, створені людиною.

Ехолокатори, що використовуються під водою, називаються гідролокаторами або сонарами (назва sonar утворена з початкових літер трьох англійських слів: sound – звук; navigation – навігація; range – дальність). Сонар незамінні при дослідженнях морського дна (його профілю, глибини), для виявлення та дослідження різних об'єктів, що рухаються глибоко під водою. За їх допомогою можуть бути легко виявлені окремі великі предмети або тварини, так і зграї невеликих риб або молюсків.

Хвилі ультразвукових частот широко використовуються в медицині з діагностичною метою. УЗД-сканери дозволяють досліджувати внутрішні органи людини. Ультразвукове випромінювання є менш шкідливим для людини, ніж рентгенівське.

Електромагнітні хвилі.

Їхні властивості.

Електромагнітна хвиля - це електромагнітне поле, що розповсюджується у просторі з часом.

Електромагнітні хвилі можуть збуджуватися тільки зарядами, що прискорено рухаються.

Існування електромагнітних хвиль було теоретично передбачено великим англійським фізиком Дж. Максвеллом у 1864 році. Він запропонував нове трактування закону електромагнітної індукції Фарадея та розвинув його ідеї далі.

Будь-яка зміна магнітного поля породжує в навколишньому просторі вихрове електричне поле, що змінюється в часі, електричне поле породжує в навколишньому просторі магнітне поле.

Рисунок 1. Змінне електричне поле породжує змінне магнітне поле та навпаки

Властивості електромагнітних хвиль на основі теорії Максвелла:

Електромагнітні хвилі поперечний - Вектори і перпендикулярні один одному і лежать у площині, перпендикулярній напряму поширення.

Рисунок 2. Поширення електромагнітної хвилі

Електричне і магнітне поля в хвилі, що біжить, змінюються в одній фазі.

Векторів електромагнітної хвилі, що біжить, утворюють так звану праву трійку векторів.

Коливання векторів і відбуваються синфазно: в той самий момент часу, в одній точці простору проекції напруженостей електричного і магнітного полів досягають максимуму, мінімуму або нуля.

Електромагнітні хвилі поширюються в речовині з кінцевою швидкістю

Де - діелектрична та магнітна проникність середовища (від них залежить швидкість поширення електромагнітної хвилі в середовищі),

Електрична та магнітна постійні.

Швидкість електромагнітних хвиль у вакуумі

Щільністю потоку електромагнітної енергії абоінтенсивністю J називають електромагнітну енергію, що переноситься хвилею за одиницю часу через поверхню одиничної площі:

,

Підставляючи сюди вирази для , і υ, і враховуючи рівність об'ємних щільностей енергії електричного та магнітного полів в електромагнітній хвилі, можна отримати:

Електромагнітні хвилі можуть бути поляризовані.

Також електромагнітні хвилі володіють усіма основними властивостями хвиль : переносять енергію, мають імпульс, вони відбиваються і переломлюються на межі розділу двох середовищ, поглинаються середовищем, виявляють властивості дисперсії, дифракції та інтерференції.

Досліди Герца (експериментальне виявлення електромагнітних хвиль)

Вперше електромагнітні хвилі були експериментально вивчені

Герцем у 1888р. Він розробив вдалу конструкцію генератора електромагнітних коливань (вібратор Герца) та метод виявлення їх способом резонансу.

Вібратор складався з двох лінійних провідників, на кінцях яких були металеві кульки, що утворюють іскровий проміжок. При подачі від індукційної до тушки високої напруги у проміжку проскакувала іскра, вона закорочувала проміжок. За час її горіння в контурі відбувалася велика кількість коливань. Приймач (резонатор) складався із дроту із іскровим проміжком. Наявність резонансу виражалося у виникненні іскор в іскровому проміжку резонатора у відповідь на іскру, що виникає у вібраторі.

Отже, досліди Герца підвели міцну основу під теорію Максвелла. Електромагнітні хвилі, передбачені Максвеллом, виявилися реалізованими на досвіді.

ПРИНЦИПИ РАДІЗВ'ЯЗКУ

Радіозв'язок – передача та прийом інформації за допомогою радіохвиль.

24 березня 1896 на засіданні фізичного відділення Російського фізико-хімічного товариства Попов за допомогою своїх приладів наочно продемонстрував передачу сигналів на відстань 250 м, передавши першу у світі радіограму з двох слів «Генріх Герц».

СХЕМА ПРИЄМНИКА А.С.ПОПОВА

Попов використовував радіотелеграфний зв'язок (передача сигналів різної тривалості), такий зв'язок може здійснюватись лише за допомогою коду. Як джерело радіохвиль використовувався іскровий передавач з вібратором Герца, а приймачем служив когерер, скляна трубка з металевою тирсою, опір якої при попаданні на неї електромагнітної хвилі падає в сотні разів. Для збільшення чутливості когерера один його кінець заземлявся, а інший приєднувався до піднятого над Землею дроту, загальна довжина антени чверть довжини хвилі. Сигнал іскрового передавача швидко згасає і не може бути переданий на великі відстані.

Для радіотелефонного зв'язку (передача мови та музики) використовується високочастотний модульований сигнал. Сигнал низької (звуковий) частоти несе в собі інформацію, але практично не випромінюється, а сигнал високої частоти випромінюється добре, але інформацію не несе. Для радіотелефонного зв'язку використовують модуляцію.

Модуляція – процес встановлення відповідності між параметрами ВЧ та НЧ сигналу.

У радіотехніці використовується кілька видів модуляцій: амплітудна, частотна, фазова.

Амплітудна модуляція - Зміна амплітуди коливань (електричних, механічних та ін), що відбувається з частотою, набагато меншою, ніж частота самих коливань.

Гармонічне коливання високої частоти ω модулировано по амплітуді гармонічним коливанням низької частоти Ω (τ = 1/Ω – його період), t – час, A – амплітуда високочастотного коливання, T – його період.

Схема радіозв'язку за допомогою АМ сигналу

Генератор з амплітудною модуляцією

Амплітуда ВЧ сигналу змінюється у відповідності з амплітудою НЧ сигналу, потім модульований сигнал випромінюється антеною.

У радіоприймачі приймальна антена вловлює радіохвилі, в коливальному контурі за рахунок резонансу виділяється і посилюється той сигнал, на частоту якого налаштований контур (несуча частота станції, що передає), потім потрібно виділити низькочастотну складову сигналу.

Детекторний радіоприймач

Детектування – процес перетворення високочастотного сигналу на сигнал низької частоти. Отриманий після детектування сигнал відповідає звуковому сигналу, який діяв на мікрофон передавача. Після посилення коливання низької частоти можуть бути перетворені на звук.

Детектор (демодулятор)

Діод служить для випрямлення змінного струму

а) АМ сигнал; б) детектований сигнал

РАДІОЛОКАЦІЯ

Виявлення та точне визначення місцезнаходження об'єктів та швидкості їх руху за допомогою радіохвиль називається радіолокацією . В основі принципу радіолокації лежить властивість відображення електромагнітних хвиль від металів.

1 - антена, що обертається; 2 – антенний перемикач; 3 – передавач; 4 – приймач; 5 – блок розгортки; 6 – індикатор відстані; 7 – індикатор напряму.

Для радіолокації використовуються високочастотні радіохвилі (УКХ), з їх допомогою легко формується спрямований пучок та висока потужність випромінювання. У метровому та дециметровому діапазоні – гратчасті системи вібраторів, у сантиметровому та міліметровому – параболічні випромінювачі. Локація може вестись як у безперервному (для виявлення мети), так і в імпульсному (для визначення швидкості руху об'єкта) режимі.

Області застосування радіолокації:

• 
  Авіація, космонавтика, флот: безпека руху суден за будь-якої погоди та у будь-який час доби, запобігання їх зіткненню, безпека зльоту та. посадки літаків.
• 
  Військова справа: своєчасне виявлення літаків чи ракет супротивника, автоматичне коригування зенітного вогню.
• 
  Радіолокація планет: вимірювання відстані до них, уточнення параметрів їхньої орбіт, визначення періоду обертання, спостереження рельєфу поверхні. У колишньому Радянському Союзі (1961) - радіолокація Венери, Меркурія, Марса, Юпітера. У та Угорщини (1946)-експеримент з прийому сигналу, відбитого від поверхні Місяця.

ТЕЛЕБАЧЕННЯ

Схема телезв'язку у принципі збігається зі схемою радіозв'язку. Різниця в тому, що крім звукового сигналу передається зображення та сигнали керування (зміна рядка та зміна кадру) для синхронізації роботи передавача та приймача. У передавачі ці сигнали модулюються і передаються, у приймачі вловлюються антеною та йдуть для обробки кожен у свій тракт.

Розглянемо одну з можливих схем перетворення зображення на електромагнітні коливання за допомогою іконоскопа:

За допомогою оптичної системи на мозаїчний екран проектується зображення, за рахунок фотоефекту комірки екрана набувають різного позитивного заряду. Електронна гармата формує електронний пучок, який переміщається екраном, розряджаючи позитивно заряджені осередки. Так як кожен осередок - конденсатор, то зміна заряду призводить до появи напруги, що змінюється - електромагнітне коливання. Потім сигнал посилюється і надходить у пристрій, що модулює. У кінескопі відеосигнал перетворюється на зображення (по-різному залежно від принципу роботи кінескопа).

Оскільки телевізійний сигнал несе набагато більше інформації, ніж радіо, робота ведеться на високих частотах (метри, дециметри).

Поширення радіохвиль.
Радіохвиля –це електромагнітна хвиля в діапазоні (10 4

Кожна ділянка цього діапазону застосовується там, де найкраще можуть бути використані її переваги. Радіохвилі різних діапазонів поширюються на різні відстані. Поширення радіохвиль залежить від властивостей атмосфери. Земна поверхня, тропосфера та іоносфера також дуже впливають на поширення радіохвиль.

Поширення радіохвиль- Це процес передачі електромагнітних коливань радіодіапазону в просторі від одного місця до іншого, зокрема від передавача до приймача.
Хвилі різної частоти поводяться по-різному. Розглянемо докладніше особливості поширення довгих, середніх, коротких та ультракоротких хвиль.
Розповсюдження довгих хвиль.

Довгі хвилі (>1000 м) поширюються:

• 
  На відстані до 1-2 тисячі кілометрів рахунок дифракції на сферичної поверхні Землі. Чи здатні обігнути Земну кулю(Рис 1). Потім їх поширення відбувається рахунок спрямовуючого дії сферичного хвилеводу, не відбиваючись.

Рис. 1

Якість зв'язку:

Стабільність прийому. Якість прийому залежить від часу доби, року, погодних умов.

Недоліки:

Через сильне поглинання хвилі при її поширенні над земною поверхнею потрібна велика антена та потужний передавач.

Атмосферні розряди (блискавки) створюють перешкоди.

Використання:

• 
  Діапазон використовується для радіомовлення, радіотелеграфного зв'язку, радіонавігаційних служб і для зв'язку з підводними човнами.
• 
  Працює невелика кількість радіостанцій, що передають сигнали точного часу та метеорологічні зведення.

Розповсюдження середніх хвиль

Середні хвилі ( =100..1000 м) поширюються:

• 
  Як і довгі хвилі, здатні огинати земну поверхню.
• 
  Як і короткі хвилі, так само можуть багаторазово відбиватися від іоносфери.

На великих відстанях від передавача днем ​​прийом може бути поганим, уночі прийом покращується. Сила прийому залежить також від пори року. Таким чином, вдень вони розповсюджуються як короткі, а вночі – як довгі.

Якість зв'язку:

• 
  Невелика дальність зв'язку. Середньохвильові станції чути близько тисячі кілометрів. Але спостерігається великий рівень атмосферних та промислових перешкод.

Використання:

• 
  Використовуються для службового та аматорського зв'язку, а також головним чином для мовлення.

Поширеннякоротких хвиль

Короткі хвилі (=10..100 м) поширюються:

• 
  Багаторазово відбиваючись від іоносфери та поверхні землі (рис.2)

Якість зв'язку:

Якість прийому на коротких хвиль дуже залежить від різних процесів в іоносфері, пов'язаних з рівнем сонячної активності, часом року і часом доби. Не потрібні передавачі великої потужності. Для зв'язку між наземними станціями та космічними апаратами вони непридатні, тому що не проходять крізь іоносферу.

Використання:

• 
  Для зв'язку великі відстані. Для телебачення, радіомовлення та радіозв'язку з рухомими об'єктами. Працюють відомчі телеграфні та телефонні радіостанції. Цей діапазон є найбільш «населеним».

Поширення ультракороткиххвиль

Ультракороткі хвилі (

• 
  Іноді вони можуть відбиватися від хмар, штучних супутників землі або навіть від Місяця. У цьому дальність зв'язку може трохи збільшиться.

Якість зв'язку:

Прийом ультракороткої хвилі характерний сталістю чутності, відсутністю завмирання, а також зменшенням різних перешкод.

Зв'язок на цих хвилях можливий тільки на відстані прямої видимості L(Рис. 7).

Оскільки ультракороткі хвилі не поширюються за горизонт, виникає потреба будувати безліч проміжних передавачів – ретрансляторів.

Ретранслятор- пристрій, що розташовується на проміжних пунктах ліній радіозв'язку, що посилює сигнали, що приймаються, і передає їх далі.

Ретрансляція- прийом сигналів на проміжному пункті, їх посилення та передача у попередньому чи іншому напрямку. Ретрансляція призначена збільшення дальності зв'язку.

Існує два способи ретрансляції: супутникова та наземна.

Супутникова:

Активний супутник ретрансляції приймає сигнал наземної станції, посилює його, і через потужний спрямований передавач надсилає сигнал на Землю в попередньому або іншому напрямку.

Наземна:

Сигнал передається наземної аналогової або цифрової радіостанції або мережу таких станцій, а потім відправляється далі в попередньому або іншому напрямку.

1 - радіопередавач,

2 – передавальна антена, 3 – приймальна антена, 4 – радіоприймач.

Використання:

• 
  Для зв'язку з штучними супутникамиЗемлі та

космічні ракети. Широко використовуються для теле- та радіомовлення (діапазони УКХ та FM), радіонавігації, радіолокації та стільникового зв'язку.

УКХ поділяються на такі діапазони:

метрові хвилі - від 10 до 1 метра, що використовуються для телефонного зв'язку між судами, судами та портовими службами.

дециметрові - Від 1 метра до 10 см, використовуються для супутникового зв'язку.

сантиметрові - від 10 до 1см, використовуються у радіолокації.

міліметрові - Від 1см до 1мм, використовуються в основному в медицині.

Механічнахвиляу фізиці - це явище поширення обурень, що супроводжується передачею енергії тіла, що коливається, від однієї точки до іншої без транспортування речовини, в деякому пружному середовищі.

Середовище, в якому між молекулами існує пружна взаємодія (рідина, газ або тверда речовина) - обов'язкова умова виникнення механічних обурень. Вони можливі лише тоді, коли молекули речовини стикаються одна з одною, передаючи енергію. Одним із прикладів таких збурень є звук (акустична хвиля). Звук може поширюватися у повітрі, у воді або у твердому тіліале не у вакуумі.

Для створення механічної хвилі потрібна деяка початкова енергія, яка виведе середовище з положення рівноваги. Ця енергія потім і передаватиметься хвилею. Наприклад, камінь, кинутий у невелику кількість води, утворює хвилю на поверхні. Гучний крик створює акустичну хвилю.

Основні види механічних хвиль:

• Звукові;
• на поверхні води;
• Землетруси;
• Сейсмічні хвилі.

Механічні хвилі мають списи та западини як усі коливальні рухи. Їх основними характеристиками є:

• Частота. Це кількість коливань, які відбуваються за секунду. Одиниці виміру СІ: [ν] = [Гц] = [з -1 ].
• Довжина хвилі. Відстань між сусідніми піками або западинами. [λ] = [м].
• Амплітуда. Найбільше відхилення точки середовища положення рівноваги. [Х max] = [м].
• Швидкість. Це відстань, яку долає хвиля за секунду. [V] = [м/с].

Довжина хвилі

Довжиною хвилі називають відстань між найближчими один до одного точками, що коливаються в однакових фазах.

Хвилі поширюються у просторі. Напрямок їх поширення називають променемі позначають лінією перпендикулярної хвильової поверхні. Їх швидкість обчислюють за такою формулою:

Кордон хвильової поверхні, що відокремлює частину середовища, в якій вже відбуваються коливання, від частини середовища, в якому коливання ще не почалися, - хвильовийфронт.

Поздовжні та поперечні хвилі

Одним із способів класифікації механічного типу хвиль є визначення напрямку руху окремих частинок середовища у хвилі по відношенню до напряму її поширення.

Залежно від напрямку руху частинок у хвилях, виділяють:

1. Поперечніхвилі.Частинки середовища у такому типі хвиль коливаються під прямим кутом до хвильового променя. Рябка на ставку або вібрируючі струни гітари допоможуть уявити поперечні хвилі. Такий тип коливання не може поширюватися в рідині або газовому середовищі, тому що частинки цих середовищ рухаються хаотично і неможливо організувати їх рух перпендикулярно до напряму поширення хвилі. Поперечний тип хвиль рухається набагато повільніше, ніж поздовжній.
2. Поздовжніхвилі.Частинки середовища коливаються у тому напрямі, у якому поширюється хвиля. Деякі хвилі такого типу називають компресійними або хвилями стискування. Поздовжні коливанняпружини - періодичні стискування та розтягнення - становлять хорошу візуалізацію таких хвиль. Поздовжні хвилі є найшвидшими хвилями механічного типу. Звукові хвилі в повітрі, цунамі та ультразвук – поздовжні. До них можна віднести і певний тип сейсмічних хвиль, що розповсюджуються під землею та у воді.