Волна бежит, частицы колеблются
Переключи продольную и поперечную волну. Следи за выделенной частицей.
Схему можно прокрутить вбок. Все значения повторены в расчёте ниже.
Гармоническая волна движется вправо, амплитуда смещения 0,08 м. Средние положения частиц неподвижны; границы среды не моделируются.
Связь соседей: колебание становится волной
Если частицы упругой среды взаимодействуют, смещение одной влияет на соседние. Возмущение передаётся с конечной скоростью, образуя механическую волну. При малой амплитуде частицы колеблются около равновесия, а рисунок возмущения движется через среду.
Скорость распространения волны и скорость отдельной частицы — разные величины. Волна переносит энергию без обязательного переноса вещества на такое же расстояние. В реальных поверхностных волнах возможны дополнительные потоки; идеальная линейная модель их не учитывает.
Источник колеблется
Смещает ближайшие частицы
Упругие связи
Передают воздействие соседям
Фронт движется
Возмущение достигает новых областей
Движение волнового рисунка не тождественно движению частиц среды.
Почему звук не распространяется через пустой вакуум?
Механической волне нужны частицы среды и взаимодействия, передающие возмущение.
Направления: вдоль или поперёк распространения
В продольной волне смещения частиц направлены вдоль распространения; возникают сгущения и разрежения. В поперечной — перпендикулярно. Продольные волны возможны в газах, жидкостях и твёрдых телах; упругие объёмные поперечные волны требуют сопротивления сдвигу.
Обычная жидкость или газ в покое не поддерживают упругие объёмные поперечные волны так, как твёрдое тело. Волны на поверхности воды — более сложный случай: частицы имеют и вертикальное, и горизонтальное движение. Не следует называть их чисто поперечными без оговорки.
| Признак | Продольная | Поперечная |
|---|---|---|
| Смещение частиц | Вдоль направления волны | Поперёк направления волны |
| Наглядный образ | Сгущения и разрежения | Гребни и впадины |
| Пример | Звук в воздухе | Волна на натянутой струне |
Тип волны определяется направлением движения частиц относительно направления распространения.
Определяет ли вертикальная синусоида на бумаге тип волны?
Нет. График может показывать давление продольной волны. Нужно знать физический смысл вертикальной оси.
Камертон на 440 Гц
Зубцы камертона колеблются и возбуждают звуковые волны. Частота основного колебания определяет высоту тона.
Édouard Hue (User:EdouardHue) · CC BY-SA 3.0 · Источник. Без изменений.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
Картина света после двух щелей
Светлые и тёмные области возникают при сложении волн с разной фазой. Реальная картина зависит также от конечной ширины щелей.
Alexandre Gondran · CC BY-SA 4.0 · Источник. Без изменений.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
Масштабы: длина волны и период
Длина волны λ — расстояние между ближайшими точками, колеблющимися в одинаковой фазе. За период T волновой рисунок проходит λ, поэтому v = λ/T = λν. При переходе в другую среду частота, заданная источником, сохраняется, а скорость и длина волны могут измениться.
Для волны со скоростью 20 м/с и частотой 5 Гц длина волны равна 4 м. Два соседних гребня отстоят на λ; гребень и ближайшая впадина — на λ/2. Эти расстояния относятся к одному моменту времени.
Период и частота
T = 1/ν
Скорость распространения
v = λν
Пространственная фаза
Изменяется на 2π за λ
Длина волны относится к расстоянию, период — ко времени.
Если скорость в новой среде вдвое меньше при прежней частоте, что будет с λ?
Она уменьшится вдвое, поскольку λ = v/ν.
Чтение модели: снимок и наблюдение во времени
Интерактив показывает гармоническую волну, идущую вправо: y = A cos(2πx/λ − 2πνt). Для продольного режима та же фазовая зависимость задаёт смещение вдоль оси; для поперечного — поперёк. Выделенная частица помогает отделить её движение от движения рисунка.
При фиксированном времени сравни соседние частицы; затем наблюдай одну частицу при изменении времени. Не измеряй скорость среды по скорости гребня: это скорость распространения возмущения. Масштаб частиц на рисунке условный.
Снимок среды
Определяет λ
Наблюдение одной точки
Определяет T
Связь измерений
v = λ/T
Чтобы понять волну, нужны и пространственный снимок, и изменение во времени.
Что означает одинаковая фаза двух частиц?
В идеальной гармонической волне у них одновременно одинаковы соответствующие смещения и направления движения.
Шесть выводов
Тест · 10 вопросовОдин правильный ответ в каждом вопросе
Сначала изучи модель и конспект. За каждый верный ответ — 0,5 балла, максимум — 5. После проверки откроются пояснения.
Учебный источник и иллюстрации
Основа: предоставленный учебник «Физика, 11 класс», § 5. Тема и содержание сверены с файлом «11 класс. Физика — § 05. Распространение колебаний в упругой среде.pdf». Объяснения, расчётные примеры и модели подготовлены для этого конспекта. Дополнительные зависимости в моделях отмечены отдельно.
Изображения загружаются непосредственно из интернета. Авторство и лицензии указаны под каждой иллюстрацией. Размеры и цвета учебных схем условны; ограничения каждой модели указаны рядом.