Фізика. Повторне видання. 9 клас. Засєкіна

Розділ 3. Механічні та електромагнітні хвилі

Чи задумувались ви над тим, завдяки чому люди набули таких можливостей спілкування та отримання інформації, як зараз? Чи могли ваші дідусі та бабусі уявити собі, що можна буде будь-якої хвилини зв’язатися з близькими, що живуть на іншому континенті? Або прочитати будь-яку книжку, не йдучи до бібліотеки, чи купити річ, не виходячи з дому? Або побачити, що відбувається в іншій частині світу просто зараз? Усе це стало можливим завдяки досягненням у фізиці, а саме — експериментальному відкриттю електромагнітних хвиль, які можуть поширюватись у просторі. Вивчаючи цей розділ, ви навчитесь розпізнавати механічні й електромагнітні хвилі, класифікувати їх, описувати їхні властивості та галузі практичного використання.

§ 21. Виникнення та поширення механічних хвиль

Ви дізнаєтесь

• Як утворюються механічні хвилі

Пригадайте

• Що таке коливання

Механічні коливання. У 7 класі ми розглядали механічні коливання, які не виходили за межі коливної системи, наприклад, коливання маятників. У повсякденному житті частіше доводиться мати справу з коливаннями, які передаються від однієї системи до іншої, тобто з хвильовим рухом. Наприклад, коливання поплавка передаються частинкам води, і ви бачите хвилі на поверхні води. Щоб краще зрозуміти хвильові процеси, пригадаймо, що нам відомо про механічні коливання.

Механічні коливання — це такий рух, під час якого положення та швидкість руху тіла (точки) повторюються через певні інтервали часу. При цьому такі повторення можуть здійснюватися періодично або неперіодично. Для періодичних коливань існують певні закономірності, які можна дослідити за допомогою коливальних систем (маятників): пружинного (мал. 145, а) і нитяного (мал. 145, б).

Коливання можуть бути вільними й вимушеними, згасаючими й незгасаючими. Спробуйте самостійно дати їм визначення.

Мал. 145. Маятники: а — пружинний; б — нитяний

Для опису коливального руху використовують фізичні величини:

• амплітуду коливань, А — це максимальне відхилення тіла від положення рівноваги;
• період коливань, Т — час одного повного коливання;
• частоту коливань, ν — кількість коливань за одиницю часу.

Одиницями періоду та частоти коливань у СІ відповідно є секунда (с) і герц (Гц).

Механізм поширення коливань. Дослідимо випадки, коли коливання можуть передаватися за межі коливної системи й поширюватися в середовищі. Для цього скористаємося моделлю пружного середовища — сукупністю кульок, що пружно зв’язані між собою (мал. 146). Така модель відтворює внутрішню будову речовини, що складається з атомів і молекул, які безперервно й хаотично рухаються та взаємодіють між собою.

Якщо штовхнути крайню ліву кульку вздовж ряду кульок вправо, то вона почне коливатися сама і спричинить коливальний рух сусідньої кульки, яка, у свою чергу, передасть коливальний рух наступній, і т. д. (мал. 146). У результаті всі кульки почнуть коливатись, але коливальний рух кожної наступної кульки почнеться дещо пізніше, ніж попередньої.

Мал. 146. Моделювання процесу утворення механічної хвилі

Також можна змусити кульки коливатися, якщо змістити першу кульку від положення рівноваги не в горизонтальному, а у вертикальному напрямку, наприклад, поштовхом уверх (мал. 147).

Мал. 147. Моделювання процесу утворення механічної хвилі

У цьому разі виведена зі стану рівноваги кулька також змусить рухатися сусідні кульки за рахунок пружного зв’язку з ними. Оскільки коливання першої кульки передаються іншим не миттєво, а протягом деякого часу, то коливання наступних кульок починається з деяким запізненням.

Розглянуті процеси поширення механічних коливань у пружному середовищі називають хвильовим процесом, або просто хвилею.

Механічна хвиля — процес поширення коливань у пружному середовищі з плином часу.

Для утворення й існування механічної хвилі необхідно:

• наявність джерела, тобто тіла, що коливається;
• наявність пружного середовища, що передає взаємодію частинок середовища між собою.

Види хвиль. Розглянуті нами механізми утворення механічних хвиль демонструють повздовжню (мал. 146, с. 109) і поперечну (мал. 147, с. 109) хвилі.

Повздовжня хвиля утворюється, якщо коливання частинок середовища відбуваються в напрямку поширення хвилі (мал. 148, а) (напрямок поширення хвилі називають променем). Повздовжні хвилі виникають у середовищах, де можливі пружні деформації стиску та розтягу. Прикладом повздовжньої механічної хвилі є звук. На малюнку 148, б зображено поширення звуку від удару молотка по металевому стержню.

Мал. 148. Повздовжня хвиля: а — моделювання процесу; б — приклад поширення звуку в металевому стержні

Повздовжніми називаються хвилі, коливання частинок у яких відбувається вздовж променя хвилі.

Поперечні хвилі (мал. 149, а) виникають у середовищах, де можливі пружні деформації зсуву (у твердих тілах і в поверхневих шарах рідин). Прикладом такої хвилі є хвиля, утворена внаслідок коливання шнура (мал. 149, б). У поперечній хвилі частинки коливаються у площинах, перпендикулярних до напрямку поширення хвилі.

Мал. 149. Поперечна хвиля: а — моделювання процесу; б — приклад поперечної хвилі (коливання шнура)

Поперечними називаються хвилі, коливання частинок у яких відбувається перпендикулярно до променя хвилі.

У газах і рідинах виникають лише повздовжні хвилі, які є чергуванням розріджень і згущень середовища. У твердих тілах можливі як повздовжні, так і поперечні пружні хвилі. Іншими словами, повздовжні хвилі можуть поширюватися в будь-якому середовищі, поперечні — тільки у твердому середовищі.

Характеристики хвильового процесу. Характеризуючи хвильовий процес, ми використовували такі поняття, як джерело коливань, промінь хвилі, період й амплітуду коливань. З’ясуємо, які ще поняття та величини використовуються для опису хвильових процесів.

Як для тіла, що змінює своє положення в просторі з часом, так і для процесу коливань використовують поняття швидкості. У випадку переміщення тіла ми вважали тіло матеріальною точкою й говорили про швидкість руху не всього тіла, а фіксованої точки або конкретизували, рух якої точки тіла нас цікавить: швидкість кінця стрілки, точки на ободі тощо.

У випадку хвильового процесу швидкість поширення хвилі розглядають як швидкість поширення її фронту.

Фронт хвилі — це поверхня, до якої на певний момент часу дійшли коливання. Від точкового джерела в однорідному середовищі поширюються сферичні хвилі, фронтом такої хвилі є сфера (мал. 150, а). Від протяжного джерела (пластини) у середовищі поширюється плоска хвиля, фронт якої — площина (мал. 150, б).

Мал. 150. Ванночки з водою для демонстрації а — сферичної хвилі; б — плоскої хвилі

Швидкість поширення хвилі (ν) — це швидкість поширення її фронту.

Швидкість поширення механічної хвилі залежить від пружних властивостей і густини середовища. В однорідному середовищі від точки, яка коливається, коливання поширюються в усіх напрямках зі сталою швидкістю.

Якщо розглянути малюнки 148, а , с. 110 і 149, а, с. 110, то бачимо, що на них відмічені певні ділянки хвилі, які називають довжиною хвилі. Позначають довжину хвилі грецькою літерою λ, читається «лямбда».

Довжина хвилі (λ) — це відстань, на яку поширюється хвиля протягом одного періоду коливань.

Очевидно, що довжина хвилі (λ), її швидкість (ν) і період коливань джерела хвилі (Т) пов’язані співвідношенням: λ = νΤ.

Хвильовий рух не супроводжується перенесенням речовини. Під час поширення хвилі відбувається лише перенесення енергії. Це найважливіша властивість будь-якої хвилі.

Підбиваємо підсумки

• Механічна хвиля — процес поширення коливань у пружному середовищі з плином часу.

• Механічні хвилі можуть бути поперечними або повздовжніми. Повздовжні хвилі можуть поширюватися в будь-якому середовищі, поперечні — тільки у твердому середовищі.

• Довжина хвилі (λ) — це відстань, на яку поширюється хвиля протягом одного періоду коливань, λ = νΤ, де v — швидкість поширення хвилі, Т — період коливань джерела хвилі.

ФОРМУЄМО КОМПЕТЕНТНІСТЬ

Я поміркую й зможу пояснити

• 1. Поясніть механізм утворення пружних механічних хвиль.
• 2. Чим відрізняються повздовжня й поперечна хвилі? У яких середовищах можуть поширюватися повздовжні хвилі, а в яких — поперечні?
• 3. Що називають довжиною хвилі?
• 4. Від чого залежить швидкість поширення хвилі у пружному середовищі?
• 5. Що таке фронт хвилі?

Я можу застосовувати знання й розв'язувати задачі

Вправа 12

1. Розгляньте малюнок 151. У якому випадку можливі коливання? Які з них можуть бути вільними, а які — вимушеними?

Мал. 151

2. Рибалка помітив, що за 10 с поплавок зробив на хвилях 20 коливань, а відстань між сусідніми гребенями хвиль дорівнює 1,2 м. Яка швидкість поширення хвиль?

3. Відстань між гребенями хвиль у морі дорівнює 5 м. Коли катер іде проти хвилі, то вона за 1 с вдаряється об його корпус 4 рази, а коли за хвилею — двічі. Визначте швидкість руху катера та швидкість поширення хвилі.