Свойства механических волн

С волнами любого происхождения при определённых условиях можно наблюдать четыре ниже перечисленных явления, которые мы рассмотрим на примере звуковых волн в воздухе и волн на поверхности воды.

Отражение волн. Проделаем опыт с генератором тока звуковой частоты, к которому подключён громкоговоритель (динамик), как показано на рис. «а». Мы услышим свистящий звук. На другом конце стола поставим микрофон, соединённый с осциллографом. Поскольку на экране возникает синусоида с малой амплитудой, значит, микрофон воспринимает слабый звук.

Расположим теперь сверху над столом доску, как показано на рис.«б». Поскольку амплитуда на экране осциллографа возросла, значит, звук, доходящий до микрофона, стал громче. Этот и многие другие опыты позволяют утверждать, что механические волны любого происхождения обладают способностью отражаться от границы раздела двух сред.

Преломление волн. Обратимся к рисунку, где изображены волны, набегающие на прибрежную мель (вид сверху). Серо-жёлтым цветом изображён песчаный берег, а голубым – глубокая часть моря. Между ними есть песчаная мель – мелководье.

Волны, бегущие по глубокой воде, распространяются в направлении красной стрелки. В месте набегания на мель волна преломляется, то есть изменяет направление распространения. Поэтому синяя стрелка, указывающая новое направление распространения волны, расположена иначе.

Это и многие другие наблюдения показывают, что механические волны любого происхождения могут преломляться при изменении условий распространения, например, на границе раздела двух сред.

Дифракция волн. В переводе с латинского «дифрактус» означает «разломанный». В физике дифракцией называется отклонение волн от прямолинейного распространения в одной и той же среде, приводящее к огибанию ими препятствий.

Взгляните теперь на другой рисунок волн на поверхности моря (вид с берега). Волны, бегущие к нам издалека, заслоняются большой скалой слева, но при этом частично огибают её. Скала меньших размеров справа и вовсе не является преградой для волн: они полностью её огибают, распространяясь в прежнем направлении.

Опыты показывают, что дифракция наиболее отчётливо проявляется, если длина набегающей волны больше размеров препятствия. Позади него волна распространяется так, как будто препятствия не было.

Интерференция волн. Мы рассмотрели явления, связанные с распространением одной волны: отражение, преломление и дифракцию. Рассмотрим теперь распространение с наложением друг на друга двух или более волн – явление интерференции (от лат. «интер» – взаимно и «ферио» – ударяю). Изучим это явление на опыте.

К генератору тока звуковой частоты присоединим два динамика, соединённые параллельно. Приёмником звука, как и в первом опыте, будет микрофон, подключённый к осциллографу.

Начнём двигать микрофон вправо. Осциллограф покажет, что звук становится то слабее, то сильнее, несмотря на то, что микрофон удаляется от динамиков. Вернём микрофон на среднюю линию между динамиками, а затем будем двигать его влево, снова удаляя от динамиков. Осциллограф вновь покажет нам то ослабление, то усиление звука.

Этот и многие другие опыты показывают, что в пространстве, где распространяются несколько волн, их интерференция может приводить к возникновению чередующихся областей с усилением и ослаблением колебаний.

Опубликовано в разделах: 8 класс, Колебательные и волновые явления

Звуковые волны: основные свойства и характеристики их распространения

• Как распространяются звуковые волны?
• Доплеровский эффект
• Свойства волн, которые необходимо учитывать при УЗИ

Все ультразвуковые методы диагностики построены на отражении от тканей и органов звуковых волн, которые ранее были посланы с помощью различных аппаратов. Приемник улавливает, фиксирует и передают механические изменения, возникшие в пространстве, а диагност на их основе делает соответствующие выводы. Однако для правильной постановки диагноза необходимо знать главные свойства звуковых волн и то, как они распространяются.

Изображение

Волны могут возникать лишь в такой среде, где молекулы поочередно разрежаются или уплотняются: в жидкостях, воздухе и тканях человеческого организма. В вакууме они не могут отражаться. Распространение звуковых волн имеет несколько важных для исследования характеристик:

• скорость — эта характеристика зависит от плотности среды, а для тканей человека относительно мала (около 1540 м/с), в медицинских исследованиях часто используется формула «время -расстояние», которая позволяет определить габариты органов, тканей и новообразований;
• объем отражения — он может быть частичным или полным в зависимости от акустического сопротивления (импеданса) границ между различными типами тканей, часть волн может отразиться, а другая — продолжит двигаться в заданном направлении.

Данным термином называют то, как меняется длина и частота звуковых волн при движении их источника. Во время УЗИ-диагностики его используют, чтобы определить направление движения эритроцитов в кровотоке.

Современные аппараты могут интерпретировать эффект Доплера тремя способами: цветовой схемой движения кровотока, графиком его скорости, а также воспроизведением звука. Использование всех трех вариантов одновременно называют тройным доплеровским исследованием и проводят для диагностики патологии сосудов, онкологии на ранней стадии и других заболеваний.

На точности и качестве ультразвуковой диагностики, в первую очередь, сказываются два свойства.

1. Высшая частота передатчика, которая характеризует максимально допустимое  разрешение.
2. Низшая частота, которая определяет, как глубоко поникает звуковая волна.

Для этих свойств существует важно правило: короткие звуковые волны позволяют получить высокое разрешение, но при этом проникают лишь на небольшую глубину, поэтому для УЗИ их оптимальная длина будет составлять 0.15-1,5 мм, а частота находиться в диапазоне 1-10 МГц.

Кроме того, необходимо учитывать, что разрешение может быть:

• латеральным — проходя через ткани излучение сперва сужается, а затем расширяется, например, при частоте 3,5 МГц  оно составит около 2 мм, соответственно, если между объектами будет большее расстояние, то они определятся как отдельные;
• осевым — волны движутся в продольном направлении и обеспечивают максимальную способность разделять в нем объекты, расстояние между ними должно быть равно длине одной звуковой волне или всего 0,5 (- 1) мм.

Учет данных свойств и характеристик при выборе УЗИ-аппарата и диагностике, позволит добиться высокоточных результатов.

Волны и волновые свойства | manoa.hawaii.edu/ExploringOurFluidEarth

Волны

Слово волна может вызвать в памяти образы океана или озера, но волны могут встречаться в нескольких различных формах. Двумя основными типами волн являются механические волны и электромагнитные волны. Механические волны — возмущения в любой среде или веществе. Примеры механических волн включают движение воды, от ряби в луже до гигантских катящихся волн на поверхности открытого океана. Натянутая, вибрирующая гитарная струна представляет собой механическую волну, как и звуковая волна, которую она производит, возмущая воздух вокруг себя.

 

Электромагнитным волнам не обязательно проходить через вещество, чтобы распространять энергию. Электромагнитные волны — возмущения или колебания электрических и магнитных полей. Примеры электромагнитных волн включают видимый свет уличного фонаря, ультрафиолетовый свет солнца и радиоволны, передаваемые и принимаемые мобильным телефоном. И механические, и электромагнитные волны способны передавать энергию. Например, водяные волны (механические волны) могут передавать энергию через весь океанический бассейн, даже если отдельные молекулы воды не перемещаются на большие расстояния.

 

Источники волн

Волны возникают в результате физического возмущения или вибрации. Сила дующего ветра — это физическое возмущение, которое создает большинство волн на воде. Такие волны называются ветровыми волнами . Характер ветрового волнения меняется в зависимости от сезонного ветра. Например, зимой у северных берегов Гавайских островов волны могут быть очень большими. Эти большие зимние волны обычно возникают из-за сезонных штормов в бассейне северной части Тихого океана.

 

Хотя большинство волн на воде вызвано ветром, существуют и другие источники волн. Цунами  это волны, вызванные движениями земной коры, такими как землетрясения. Цунами непредсказуемы и могут неожиданно подняться с моря и сровнять с землей целые прибрежные поселения. Приливные волны вызваны гравитацией Луны и Солнца. Приливные волны вызывают регулярные и предсказуемые подъемы и падения уровня воды в океанах и озерах, покрывая берега во время прилива и обнажая их во время отлива.

 

Деятельность

Лучший способ узнать о волнах — это наблюдать за ними. Помимо океанских волн, волны можно наблюдать в ветреные дни в озерах или реках или, в меньшем масштабе, в бассейнах, лужах и даже стакане воды.

 

Описание волн

Существуют различные способы описания свойств океанских волн, одним из которых является отчет о прибое (таблица 4.0)

Таблица 4.0. Пример Оаху, Гавайи Отчет о серфинге

Сегодня северная и западная береговые линии плоские. Городские (южный берег) споты ухабистые, непостоянные и борются за набор 0,5 м. Даймонд-Хед, Сэнди и Макапуу – 0,25–0,5 м. Пассаты 15–25 узлов при прояснении неба. Экстремальный отлив утром. Жирный прилив в 15:00.   У нас есть межсезонье NNW, а также южная волна, которые уже в пути. В эти выходные мы ожидаем подъема на всех береговых линиях, особенно к воскресенью мы должны ожидать солидный 1 м на южном и северном берегах.

Этот прогноз был подготовлен совместными усилиями Национальной метеорологической службы (NWS) и Национального центра развития прибрежных данных (NCDDC). Дополнительные ресурсы см. по адресу: http://www.prh.noaa.gov/hnl/pages/marine.php.

Прогнозист NWS ДОНАЛЬДСОН и Пэт Колдуэлл, Тихоокеанский/Гавайский офис связи, NCDDC

 

В этом отчете о прибое описывается постоянство и размер волн и ветра. Приливы отмечены, потому что они влияют на форму и расположение волн. В отчете также дается прогноз будущих волновых условий.

 

При описании волн, распространяющихся с постоянной скоростью и существенно не меняющихся во времени, ученые часто используют термины, приведенные в таблице 4.1.

Таблица 4.1. Волновые термины и формулы

Гребень Высшая точка волны Корыто Нижняя точка волны Высота волны (H) Расстояние по вертикали от гребня до впадины Амплитуда (A) Расстояние по вертикали от гребня до среднего уровня поверхности или уровня стоячей воды. Равен половине высоты волны. Длина волны (Д) Горизонтальное расстояние от гребня до гребня Период волны (T) Время, которое требуется одной полной волне от гребня до гребня для прохождения фиксированной точки, обычно выражается в секундах на волну. Период обратно пропорционален частоте. Частота волн (F) Количество гребней волн, которые проходят фиксированную точку в единицу времени, обычно выражается в волнах в секунду. Частота обратна периоду. Скорость волны (с) Скорость волны в определенном направлении, выраженная в виде расстояния в единицу времени. Скорость волны можно рассчитать, разделив длину волны на период. Уровень стоячей воды Уровень воды, когда поверхность плоская и гладкая, без волн. Уровень стоячей воды немного ниже середины между гребнем и впадиной, потому что гребни обычно круче и уже, чем впадины. Направление волны Если волна имеет скорость (S), то направление волны можно отметить с помощью компаса или стрелок на диаграмме.

---

Чтобы представить эти атрибуты визуально, ученые могут использовать диаграмму профиля волны (рис.

4.2). Профиль волны — это вид волны сбоку, который используется для отображения особенностей волны, включая гребни, впадины, высоту волны и длину волны. Чтобы описать набор волн, движущихся в определенном направлении, ученые используют диаграммы волн сверху (рис. 4.3), где вертикальные линии представляют последовательные впадины или гребни волн. Стрелкой изображают направление распространения (движения) волн.

---

 

Расчет свойств волн

Математически связывая свойства волн, можно получить ценную информацию о поведении волн. Основные свойства волн измеряются в единицах расстояния и времени. Два свойства, которые можно измерить напрямую, это длина волны (L), которая представляет собой расстояние или длину от гребня волны до гребня волны, и период (T), который представляет собой время, за которое волна проходит фиксированную точку ( рис. 4.2).

 

Скорость волны

Скорость волны часто указывается в стандартных научных единицах метров в секунду (м/с), но также может быть выражена в метрах в минуту (м/мин) или других единицах расстояния в единицу времени . Зная длину волны и период волны, скорость волны (S) можно рассчитать, разделив длину волны (L) на время или период (T). Например, если волна имеет длину 20 м и период 4 секунды, скорость волны можно рассчитать, разделив 20 м на 4 с, что равно 5 м/с.

 

Период волны

Чтобы определить период волны, необходимо знать время между волнами. Период обычно измеряется в секундах на волну. Для определения периода (T) длина волны (L) делится на скорость (S). Например, чтобы найти период волны со скоростью 6 м/с и длиной волны 12 метров, разделите длину на скорость; 12 м разделить на 6 м/с равно 2 с.

 

Частота волны и период волны

Для расчета частоты и периода волны полезно помнить об обратной зависимости между этими двумя свойствами. Частота измеряется в волнах в секунду, а период измеряется в секундах на волну. Например, если период равен 2 секундам, то частота равна 0,5 волны в секунду.

 

Набор вопросов

Упражнение

Используйте свои знания о свойствах волны, чтобы создать рабочий лист волны, поделитесь своим рабочим листом с одноклассником.

Упражнение

Создайте стоячие волны в волновом резервуаре и посмотрите на влияние частоты и длины импульса волны на длину волны, высоту волны, скорость волны и период волны.

 

Стоячие волны — это волны, которые, как кажется, не движутся вперед или не продвигаются вперед. Скорее, они колеблются или вибрируют на месте. Натянутая гитарная струна является примером стоячей механической волны с двумя фиксированными концами. Стоячие волны возникают, когда взаимодействуют волны с одинаковой частотой, длиной волны и амплитудой. В отличие от стоячих волн, поперечные волны продвижения в позиции. Водяные волны на поверхности океана обычно не ведут себя как стоячие волны. Вместо этого они ведут себя как поперечные волны, распространяя свою энергию вперед по мере своего движения.

 

 

Волновые свойства света

Версия для печати

Дополнительное чтение с сайта www. astronomynotes.com

• Электрические и магнитные поля
• Свойства света

---

Чтобы начать изучение света, мы собираемся сначала обсудить волны в целом. Например, что происходит, когда камешек бросают в пруд?

Рисунок 3.1: Возмущение поверхности воды

Источник Wikimedia

Как показано на изображении выше, в месте попадания гальки вода начинает колебаться вверх и вниз. «Кусочки» воды рядом с тем местом, куда попал камешек, «чувствуют», как вода рядом с ними поднимается и опускается, и они тоже начинают двигаться вверх и вниз. Возмущение в воде движется наружу по мере того, как все больше частиц воды начинают двигаться вверх и вниз. Вода в каждом месте переместилась только на вверх и

вниз , но волна переместила наружу от того места, где галька вошла в воду. Вода не двигалась наружу — то, что двигалось наружу, — это возмущение поверхности пруда. Движение возмущения наружу переносит энергии из одного места (место, где галька попала в воду) в другое (все точки наружу от точки входа гальки). Этот пример показывает, что волна на самом деле является механизмом, с помощью которого энергия переносится из одного места в другое.

Электрические поля и магнитные поля могут быть возмущены так же, как поверхность пруда. Когда неподвижная заряженная частица начинает вибрировать (или, в более общем случае, если она ускоряется), электрическое поле, окружающее частицу, возмущается. Изменение электрических полей создает магнитные поля, поэтому движущийся заряд создает возмущение

как электрического поля, так и магнитного поля вблизи заряженной частицы. Возмущение электромагнитного поля, движущееся наружу, равно электромагнитная волна . Явление, которое мы называем «светом», — это просто электромагнитная волна.

Рисунок 3.2: Свет, представленный в виде волны в графической форме, где ось x — это расстояние, а ось y — смещение, и показывает, как рассчитать длину волны как расстояние от пика до пика.

Источник: Wikimedia

Свет (или любая другая волна) характеризуется своей длиной волны или частотой . Для любой волны длина волны — это расстояние между двумя последовательными пиками. Если вы стоите в одной конкретной точке и считаете, сколько пиков проходит мимо вас в секунду, это число и есть частота.

Математически длина волны света обычно обозначается буквой l или греческой буквой лямбда (λЭто уравнение отображается неправильно из-за несовместимого браузера. Список совместимых браузеров см. в разделе «Технические требования» в Руководстве). Частота обычно обозначается буквой f или греческой буквой nu (νЭто уравнение не отображается должным образом из-за несовместимого браузера. Список совместимых браузеров см. в разделе «Технические требования» в руководстве). Поскольку частота — это количество волн, проходящих через точку в секунду, а длина волны — это расстояние между последовательными пиками этой волны, вы можете определить скорость волны, перемножив эти два числа, то есть: c = λν Это уравнение не отображается должным образом из-за несовместимого браузера. Список совместимых браузеров см. в разделе «Технические требования» в Руководстве. Если мы посмотрим на единицы измерения, длина волны измеряется в некоторой единице расстояния, а частота измеряется как некоторое безразмерное число (количество волн) в некоторую единицу времени. , поэтому, умножая длину волны на частоту, вы получаете расстояние за время, которое является подходящей единицей для скорости.

Белый свет (например, то, что исходит от фонарика) на самом деле состоит из множества волн, каждая из которых имеет один из разных цветов света (красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий и фиолетовый). Причина того, что разные световые волны кажутся разными цветами света, заключается в том, что цвет световой волны зависит от ее длины волны. Например, длина волны синего света составляет около 450 нанометров, , а длина волны красного света составляет около 700 нанометров . Таким образом, источник света, излучающий белый свет, излучает несколько световых волн с широким диапазоном длин волн от 450 до 700 нанометров. Все эти световые волны движутся с одинаковой скоростью (скоростью света), поэтому вы можете определить их частоты и увидеть, что красный свет имеет более низкую частоту, чем синий.

Попробуй!

Существует интерактивный онлайн-инструмент, созданный людьми из HubbleSite под названием «Звездный свет, звездная яркость» для младших школьников, которые хотят исследовать свет. Перейдите по этой ссылке и изучите материалы «Поймай волну» и «Создай волну».

Длина волны света может быть очень большой (километры!) или меньше длины ядра атома (одна миллионная нанометра!) — так что же мы называем светом, длина волны которого больше или меньше видимого свет, к которому мы привыкли? Ну, вот один пример: свет, длина волны которого чуть длиннее красного, называется 9.0007 инфракрасный свет . Следующий пример — свет с длиной волны чуть короче фиолетового света, который называется ультрафиолетовым светом . Весь диапазон возможных типов света, от самых длинных длин волн ( радиоволн ) до самых коротких длин волн ( гамма-лучей ) называется электромагнитным спектром .

Вы, возможно, узнали из другого курса, что свет уникален тем, что его можно описать (как мы только что сделали) как волну, но в некоторых экспериментах он ведет себя и может быть описан более точно как частица. Когда мы описываем свет как частицу, мы будем называть отдельный «пакет» света фотон . Вы по-прежнему можете ссылаться на длину волны и частоту этого фотона, даже если считаете его частицей, а не волной. Если вы вернетесь к самому первому обсуждению в начале этой страницы, мы говорили о том, как волны переносят энергию. Итак, каждый фотон света несет энергию, и количество энергии зависит от длины волны или частоты этого фотона. Уравнение:

E = hν; или эквивалентно: E = hc/λЭто уравнение не отображается должным образом из-за несовместимого браузера. Список совместимых браузеров см. в разделе «Технические требования» в руководстве.

В этих уравнениях E — энергия, h — постоянная Планка, а c — скорость света.

Хотите узнать больше?

Перейдите по следующим ссылкам, чтобы узнать больше о.