Учебник для 11 класса

Физика

       

§ 4.1. Волновые явления

  • Что же называется волной? Почему возникают волны?

Отдельные частицы любого тела — твердого, жидкого или газообразного — взаимодействуют друг с другом. Поэтому, если в каком-либо участке упругой среды возникнет деформация, то по прекращении внешних воздействий она не останется на месте, а начнет распространяться в среде во всех направлениях.

Изменение состояния среды, распространяющееся в пространстве с течением времени, называется волной.

В воздухе, в твердых телах и внутри жидкостей механические волны возникают благодаря силам упругости (упругие волны). Эти силы осуществляют связь между отдельными частями тела. В образовании волн на поверхности воды играют роль сила тяжести и сила поверхностного натяжения (поверхностные волны).

Рис. 4.1

Волновой импульс и гармонические волны

Волны могут иметь различную форму. Волновым импульсом (или одиночной волной) называется сравнительно короткое возмущение (всплеск) произвольной формы.. Такой импульс возникает, например, в резиновом шнуре, привязанном к стенке, если взмахнуть один раз рукой, держащей противоположный конец растянутого шнура (рис. 4.2).

Рис. 4.2

Если возмущение среды вызывается периодической внешней силой, меняющейся со временем по гармоническому закону, то вызываемые ею волны называют гармоническими. В этом случае в каждой точке среды происходят гармонические колебания с частотой внешнего воздействия. Мы будем преимущественно рассматривать гармонические волны или волны, близкие к гармоническим. Это наиболее простой вид волнового движения. Исследование гармонических волн имеет первостепенное значение при построении теории любого волнового движения.

Главная особенность волнового движения

Наглядное представление об основных особенностях волнового движения можно получить, если рассматривать волны на поверхности воды. Волны имеют вид бегущих вперед округлых валов (рис. 4.3). Расстояния между валами, или гребнями, примерно одинаковы. Однако если бросить в воду легкий предмет, например спичечный коробок, то он не будет увлекаться вперед волной, а начнет совершать колебания вверх и вниз, оставаясь почти точно на одном месте**.

Рис. 4.3

При распространении волны происходит передвижение формы (перемещение определенного состояния колеблющейся среды), но не перенос вещества, в котором распространяется волна. Возникшие в одном месте возмущения воды, например от брошенного камня, передаются соседним участкам и постепенно распространяются во все стороны. Течения же воды не возникает: перемещается лишь форма ее поверхности.

Скорость волны

Важнейшей характеристикой волны является скорость ее распространения. Волны любой природы не распространяются в пространстве мгновенно. Их скорость конечна. Можно себе представить, например, что над морем летит чайка так, что она все время оказывается над одним и тем же гребнем волны. Скорость волны в этом случае будет равна скорости чайки. Волны на поверхности воды удобны для наблюдения по той причине, что скорость их распространения невелика.

Поперечные и продольные волны

Нетрудно наблюдать волны, распространяющиеся вдоль резинового шнура. Если один конец шнypa закрепить и, слегка натянув шнур рукой, привести другой его конец в колебательное движение, то по шнypy побежит волна (рис. 4.4). Скорость волны будет тем больше, чем сильнее натянут шнyp. Волна добежит до точки закрепления, отразится и побежит назад.

Рис. 4.4

Здесь при распространении волны происходят изменения формы шнура. Каждый же участок шнypa колеблется относительно своего неизменного положения равновесия. Обратите внимание на то, что при распространении волны вдоль шнура отдельные его участки совершают колебания в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны (рис. 4.5). Такие волны называются поперечными.

Рис. 4.5

Но не любая волна является поперечной. Колебания могут происходить и вдоль направления распространения волны (рис. 4.6). Тогда волна называется продольной. Продольную волну удобно наблюдать с помощью длинной мягкой пружины большого диаметра.

Рис. 4.6

Ударив ладонью по одному из концов пружины (рис. 4.7, а), можно заметить, как сжатие (упругий импульс) бежит по пружине. С помощью серии последовательных ударов можно возбудить в пружине волну, представляющую собой последовательные сжатия и растяжения пружины, бегущие друг за другом (рис. 4.7, б). Колебания любого витка пружины происходят в направлении распространения волны.

Рис. 4.7

Из механических волн наибольшее значение имеют звуковые волны. Однако исследование звуковых волн представляет собой более сложную задачу, чем исследование воли вдоль шнура или пружины. Мы займемся ими детально в дальнейшем.

Энергия волны

При распространении волны происходит передача движения от одного участка тела к другому, С передачей движения волной связана передача энергии без переноса вещества. Энергия поступает от источника, возбуждающего колебания начала шнура, струны и т. д., и распространяется вместе с волной. Эта энергия, например, в шнуре слагается из кинетической энергии движения участков шнура и потенциальной энергии его упругой деформации.

Энергия волны от брошенного в воду камня увеличивает кинетическую энергию поплавка на поверхности воды, может увеличить и потенциальную энергию щепки, плавающей у берега.

При распространении волны происходит постепенное уменьшение амплитуды колебаний из-за превращения части механической энергии во внутреннюю. Если этими потерями можно пренебречь, то через поперечное сечение, например шнура, будет проходить в единицу времени одно и то же количество механической энергии .

Электромагнитные волны

Механические волны распространяются в веществе: газе, жидкости или твердом теле. Существует, однако, еще один вид волн, которые не нуждаются в каком-либо веществе для своего распространения. Это электромагнитные волны, к которым, в частности, относятся радиоволны и свет. Электромагнитное поле может существовать в вакууме (в пустоте), т. е. в пространстве, не содержащем атомов. Несмотря на всю необычность этих волн, на их резкое отличие от механических волн, электромагнитные волны при своем распространении ведут себя подобно механическим. В частности, электромагнитные волны также распространяются с конечной скоростью и несут с собой энергию. Это важнейшие свойства всех видов волн.


* Представление о распространении энергии было впервые введено русским ученым Н. А. Умовым (1846—1915).

** Детальные исследования показывают, что частицы воды не колеблются на одном месте, а совершают более сложное движение. Однако и волны на поверхности воды подчиняются общим для всех волн закономерностям.

Рейтинг@Mail.ru