Розділ 3. Механічні та електромагнітні хвилі

Виникнення і поширення механічних хвиль • Звукові хвилі • Швидкість поширення звуку, довжина і частота звукової хвилі • Гучність звуку та висота тону • Інфра- та ультразвуки • Електромагнітне поле та електромагнітні хвилі • Швидкість поширення, довжина і частота електромагнітної хвилі • Властивості електромагнітних хвиль • Шкала електромагнітних хвиль • Фізичні основи сучасних бездротових засобів зв’язку та комунікацій

§ 17. Виникнення і поширення механічних хвиль

Спостереження. Стоячи на березі озера або ставка, ви могли спостерігати, як колами розходяться хвилі від місця, куди було кинуто камінь, як розхитують хвилі човен або катер. Вітер порушує рівновагу морської поверхні, здається, що море насувається на берег, але це не так. Не переміщується по полю колосся, коли «хвилюється нива», воно тільки нахиляється і знову розпрямляється. За кораблем або човном завжди виникає типова картина хвиль.

Хвильові процеси дуже поширені у природі. Фізичні основи хвильових рухів різні, але всі вони пояснюються однаковими законами.

Що ж називають хвилею? Які причини виникнення хвиль?

Ви знаєте, що тверді, рідкі і газуваті тіла складаються із частинок, що взаємодіють між собою. Якщо частинка тіла починає коливатися, то внаслідок взаємодії її з іншими частинками тіла цей рух поширюється з певною швидкістю в усіх напрямках.

Хвиля — процес поширення коливань у будь-якому середовищі. Хвиля — це зміна стану середовища, яка поширюється у просторі й переносить енергію.

Спостереження. Розглянемо особливості поширення хвиль. Якщо розглядати хвилі на поверхні води (мал. 204), то вони здаються валами, які рухаються в певному напрямку, причому відстані між валами, або гребнями, однакові.

Мал. 204

Якщо кинути у воду поплавок, його не відноситиме хвилею, він здійснюватиме коливання вгору-вниз, залишаючись приблизно на одному місці.

Під час поширення хвилі змінюється стан коливного середовища, а речовина при цьому не переноситься. Від кинутого каменя починає коливатися певна ділянка води, ці коливання передаються сусіднім ділянкам і поступово поширюються на всі боки. Вода ж не переміщається, змінюється лише форма її поверхні.

Дослід 1. Закріпимо один кінець довгого гумового шнура і легенько натягнемо його рукою за другий кінець, примусимо шнур коливатися. По шнуру побіжить хвиля (мал. 205). Що сильніше натягнуто шнур, то більша швидкість поширення хвилі. Хвиля добіжить до точки закріплення, відіб’ється і побіжить у зворотному напрямку.

Мал. 205

Під час поширення хвилі змінюється тільки форма шнура, а кожна його ділянка коливається відносно свого положення рівноваги, причому коливання відбуваються в напрямку, перпендикулярному до напрямку поширення хвилі (мал. 206). Такі хвилі називають поперечними хвилями.

Мал. 206

Поперечні хвилі — це хвилі, у яких частинки коливаються в напрямку, перпендикулярному до напрямку їх поширення.

Дослід 2. Візьмемо довгу м’яку пружину великого діаметра. Якщо вдарити по одному з її кінців, по пружині «побіжить» стиснення. Повторюючи удари, можна збудити у пружині хвилю, яка буде являти собою послідовні стискування і розтягування пружини (мал. 207). Будь-який виток пружини здійснює коливання в напрямку поширення хвилі. Таку хвилю називають поздовжньою хвилею.

Мал. 207

Поздовжні хвилі — це хвилі, у яких частинки коливаються вздовж напрямку поширення хвилі.

У процесі поширення хвилі рух передається від однієї ділянки тіла до іншої. З передачею руху пов’язана передача енергії. Передача енергії без перенесення речовини - основна властивість усіх хвиль.

Будь-які хвилі характеризуються довжиною і швидкістю їх поширення.

Довжина хвилі — це відстань між найближчими одна до одної точками хвилі, які коливаються в однаковій фазі (мал. 208).

Мал. 208

Довжину хвилі позначають грецькою літерою λ (лямбда). Її одиницею є один метр (1 м).

Важливою характеристикою хвилі є швидкість її поширення. Хвилі будь-якої природи поширюються у просторі не миттєво, а з певною швидкістю. Наприклад, можна побачити, як чайка летить над морем ніби весь час над одним гребенем хвилі. У цьому випадку швидкість польоту чайки дорівнює швидкості поширення хвилі.

А як можна визначити швидкість поширення хвилі?

Ви вже знаєте, що будь-яке коливання характеризується періодом коливань, тобто часом, після якого коливання повторюються. Тоді можна сказати, що за один період хвиля поширюється на відстань λ. Тому швидкість її поширення можна визначити за формулою: