Естествознание
10 класс

§ 56. Движение как распространение. Волны

Что понимают под волнами? Какие бывают волны? Где в природе наблюдаются волны? Что такое электромагнитные волны? Как проявляются на опыте электромагнитные волны различных диапазонов?

Урок-лекция

ЧТО ТАКОЕ ВОЛНА. Движение волн человек наблюдал с древних времен, и многие писатели. поэты, художники обращались к образу волны. Научное понятие волны появилось значительно позднее. Что же такое волна в научном понимании? В литературных произведениях, подобных тому, которое приводится в эпиграфе, под волнами понимаются гребни («горы»), следующие один за другим. Однако выделять один гребень и рассматривать лишь его было бы неправильно. В науке о природе под волной понимают все совокупное движение в какой-либо области пространства. То, что волны движутся, очевидно следует из опыта.

Волна — это процесс распространения колебаний различной природы во времени и в пространстве.

Закрепим один конец веревки на опоре, а за другой натянем веревку, держа ее в руке. Сделав рукой резкое движение, показанное стрелками на рисунке 65, мы увидим, как по веревке побежит волна. Несложно понять, веревки не бегут вместе с волной.

Рис. 65. Волна в натянутой веревке

Мы можем измерить время, за которое волна дошла от места падения камня до некоторой точки на поверхности воды и, зная это расстояние, вычислить скорость волны. Однако движение волны не просто движение частичек воды. В этом легко убедиться, бросив в волну щепку. Если бы частички воды двигались вместе с волной, они увлекали бы за собой щепку. Однако, поколебавшись с волной, щепка остается на месте.

Результаты опытов указывают на то, что процесс движения волны не является перемещением частиц со скоростью волны. Волна — это процесс распространения колебания частиц.

В более общем случае, например в электромагнитной волне, колеблются не частицы, а поля. При этом нельзя сказать, что поле перемещается в пространстве. Оно просто исчезает в одной точке пространства и возникает в другой точке пространства. Таким образом, можно сделать вывод, что волна — это процесс распространения колебаний в различных системах.

Следует заметить, что определение волны как колебаний не совсем строгое. Например, звуковая ударная волна, образующаяся в результате взрыва (разряда молнии) — это резкий скачок давления (рис. 66). Как будет показано далее, такие волны могут быть представлены как сумма различных колебаний.

Рис. 66. Зависимость давления звуковой волне от расстояния в ударной

ПРИРОДА ВОЛН. Попробуем теперь ответить на вопросы, что же колеблется при распространении волны и где в природе встречаются волны. Проще всего ответить на второй вопрос: волны существуют везде. В различных уголках нашей огромной Вселенной можно найти места, где практически нет вещества, т. е. атомов и молекул. Однако нет места, куда не доходит свет звезд, который представляет собой электромагнитную волну. Но, может быть, закрывшись в темной комнате, мы спрячемся от волн? И это невозможно. В комнату проникают радиоволны, а стены комнаты, как и мы сами, излучают электромагнитные волны, невидимые для глаза.

Природа волн очень разнообразна, однако увидеть волны можно только в исключительных случаях; примером являются волны на поверхности воды и волна в натянутой веревке (см. рис. 65). В этих случаях мы видим колебания. Колебания, происходящие в других волнах, невидимы и могут быть изучены только при применении специальных приборов. Примером является звук, представляющий собой распространяющиеся колебания давления воздуха. Эти колебания, доходя до барабанной перепонки уха, вызывают ощущение звука, но установить, что это именно колебания, можно, лишь используя приборы.

Звук распространяется не только в газах, но и в жидкостях и твердых телах; важно, чтобы такие тела обладали достаточной упругостью. Более общее название таких волн — волны упругости. К подобным волнам относятся также и волны в натянутых нитях, например волны в струнах музыкапьных инструментов.

При распространении волн упругости происходит движение частиц, составляющих вещество. При распространении электромагнитных волн никакие частицы не движутся, происходит просто изменение электрических и магнитных полей в пространстве.

Электромагнитные поля обычно регистрируются приборами, но некоторые из них, например свет, воспринимаются органами чувств, хотя никаких колебаний мы при этом не видим.

Мы привели далеко не все примеры волн, однако и этих примеров достаточно, чтобы составить представление о большом разнообразии волн.

Волны могут иметь разнообразную природу,

ШКАЛА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН. Из курса физики вспомните понятие «длина волны».

Электромагнитные волны являются наиболее распространенными в природе. Среди прочих волн электромагнитные волны замечательны тем, что диапазон, в котором изменяются частоты и соответственно длины волн, очень велик. Различные приборы способны регистрировать электромагнитные волны с длиной волны от нескольких километров до долей пикометра (10-12 м). В таблице приведены названия волн различных диапазонов и некоторые свойства волн.

Добавим к информации, которая указана в последней колонке таблицы, что волны всех диапазонов используются для определения спектров различных веществ. На основе анализа спектров получается информация о составе веществ. Кроме того, волны всех диапазонов находят в настоящее время применение в медицине (УВЧ- и СВЧ-терапия, флюорография, лазерная хирургия глаза, лечение раковых заболеваний и др.).

В таблице приведены сведения о вредных последствиях, вызываемых сильными электромагнитными волнами. Однако сильные звуковые волны также оказывают на организм вредное воздействие. Поэтому при работе в повышенной шумовой обстановке необходимо использовать шумозащитные устройства (наушники). Вредное влияние на организм может оказать также длительное прослушивание громкой музыки.

Некоторые «безобидные» приборы, например лазерные указки, оптические мыши излучают свет, способный повредить зрение при прямом попадании в глаз. Не играй те с такими приборами, направляя излучение в глаз!

  • Чем обусловлено вредное воздействие некоторых электромагнитных волн на вые организмы?
  • Могут ли оказывать вредное воздействие на организм волны другой (не элект ромагнитной) природы? Приведите примеры.
  • Проделайте опыт с волной в натянутой веревке и попытайтесь ответить на вопросы: а) какова скорость распространения такой волны; б) как эта скорость из меняется при изменении натяжения веревки и при изменении свойств веревки (например, ее толщины)?

Рейтинг@Mail.ru