2-й семестр

 

МЕХАНИКА

 

4. Механические колебания и волны

Урок 6/65

Тема. Механические волны

 

Цель урока: дать учащимся понятие о волновое движение как процесс распространения колебаний в пространстве с течением времени; изучить механизм образования поперечных и продольных волн

Тип урока: изучение нового материала

План урока

Контроль знаний

5 мин.

1. Вынужденные колебания.

2. Резонанс.

3. Применение резонанса и борьба с ним

Демонстрации

4 мин.

1. Механическая модель поперечной волны.

2. Механическая модель продольной волны.

3. Фрагменты видеофильма «Поперечные и продольные волны»

Изучение нового материала

26 мин.

1. Механическая волна.

2. Поперечные и продольные волны.

3. Длина волны

Закрепление изученного материала

10 мин.

1. Тренируемся решать задачи.

2. Контрольные вопросы

 

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Механическая волна

Источниками волн являются колеблющиеся тела. Если такое тело находится в каком-либо среде, колебания передаются примыкающим частичкам вещества. А поскольку частицы вещества взаимодействуют друг с другом, колеблющиеся частицы передают колебания своим «соседям». В результате колебания начинают распространяться в пространстве. Так и возникают волны.

Ø Волной называют процесс распространения колебаний с течением времени.

Механические волны в среде обусловлены упругими деформациями среды. Образование различных волн объясняется наличием силовых связей между частицами, участвующих в колебаниях.

Любая волна переносит энергию, ведь волна — это колебания, распространяющиеся в пространстве, а любые колебания, как мы знаем, имеют энергию. Механическая волна переносит энергию, но не переносит вещество.

2. Поперечные и продольные волны

Во время распространения волны частицы среды колеблются в пределах определенного положения равновесия и не перемещаются вдоль шнура. В зависимости от направления колебаний частиц относительно направления распространения волны различают волны поперечные и продольные.

Ø Волны, в которых частицы среды во время колебаний сдвигаются в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны, называются поперечными.

Следовательно, деформации в среде вследствие распространения поперечной волны — это деформации сдвига в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны.

Поперечные волны могут распространяться только в твердых телах. Дело в том, что такие волны обусловлены деформациями сдвига, а в жидкостях и газах не существует деформаций сдвига: жидкости и газы не «оказывают сопротивления» изменении формы.

Для поперечных волн характерным является образование бугров и впадин, которые перемещаются со скоростью распространения волны (см. рис.).

 

 

Это обусловлено тем, что каждая следующая точка шнура колеблется в направлении, перпендикулярном к нему, с опозданием в фазе относительно предыдущей. Именно это различие в фазе и приводит к перемещению формы, то есть бугров и впадин. Такая волна называется проточной.

Ø Волны, в которых частицы среды во время колебаний сдвигаются вдоль направления распространения волны, называются продольными.

Пример продольной волны — волна, бегущая по мягкой пружине, когда один ее конец совершает колебания под действием периодической внешней силы, направленной вдоль пружины.

 

 

Деформации в среде вследствие распространения продольной волны — это деформации растяжения и сжатия. Такие деформации присутствуют во всех средах (твердом, жидком и газообразном), потому что изменении объема «сопротивляется» любую среду. Следовательно, продольные волны могут распространяться в любой среде.

Для продольной волны характерным является образование сгущений и разжижений, передвигающихся со скоростью волны.

Обратите внимание, что волны на поверхности воды не являются продольными или поперечными. Они имеют сложный продольно-поперечный характер, и при этом частицы жидкости движутся по кругу.

3. Длина волны

Если источник волн совершает гармонические колебания, то каждая точка среды, в которой распространяется волна, также совершает гармонические колебания, причем с той же частотой, что и источник волн. В этом случае волна имеет характерную синусоидальную форму. Максимум волны называют ее гребнями.

Ø Частоту колебаний каждой точки среды называют частотой волны v. Величину, обратную частоте, называют периодом волны: = λv.

Ø Длина волны λ — это расстояние между двумя ближайшими точками, которые колеблются в одной фазе.

За время одного полного колебания волна распространяется на расстояние, равное длине волны, поэтому можно дать еще одно определение длины волны:

Ø расстояние, на которое распространяются колебания за время одного периода, называется длиной волны.

Поскольку скорость волны для определенной среды — величина постоянная, то ее можно вычислить по формуле: = s/t. С учетом того, что t = T и s = λ, получаем: = λ/t. Но 1/t = v, поэтому окончательно получаем:

Эту формулу называют формулой волны.

Скорость волны зависит от свойств среды, в которой эта волна распространяется. В твердых телах скорость продольных

волн больше скорости поперечных. Это обстоятельство используется, например, для определения местоположения эпицентров землетрясений. Во время землетрясения образуются волны обоих типов, поэтому, зная скорость продольных и поперечных волн в земной коре и время запаздывания поперечной волны, можно определить расстояние до эпицентра землетрясения.

 

Вопрос к ученикам во время изложения нового материала

1. Что является источником механических волн?

2. Или волны переносят вещество? энергию?

3. Приведите примеры тех сред, в которых могут распространяться поперечные волны; продольные волны.

4. Или одинаковой является длина волны одной и той же частоты в различных средах?

 

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1). Тренируемся решать задачи

1. Лодка качается на волне с частотой 0,5 Гц. Чему равна скорость этой волны, если расстояние между соседними гребнями — 3 м?

2. Продольные или поперечные волны возникают:

а) в струнах при игре на гитаре;

б) в воздушном столбе внутри духовой трубы, когда музыкант дует в трубу;

в) на поверхности воды, если ударить по ней ладонью?

(Ответ: а) поперечные; б) продольные; в) эти волны нельзя отнести ни в продольных, ни поперечных).

3. Подводная лодка всплыла на расстоянии 100 м от берега, создав волны на поверхности воды. Волны дошли до берега за 20 с, причем за следующие 15 с произошло 30 всплесков волн о берег. Какой есть расстояние между гребнями соседних волн?

4. Какова скорость морских волн, если они поднимают плавучий буй каждые 1,5 с, а расстояние между гребнями соседних волн равна 6 м?

2). Контрольные вопросы

1. Что такое поперечные волны и где они могут распространяться?

2. Что такое продольные волны и где они могут распространяться?

3. Возможны поперечные волны в жидкостях и газах?

4. Почему волны переносят энергию?

 

Что мы узнали на уроке

Волной называют процесс распространения колебаний с течением времени.

Волны, в которых частицы среды во время колебаний сдвигаются в направлении, которое является перпендикулярным к направлению распространения волны, называются поперечными.

Волны, в которых частицы среды во время колебаний сдвигаются вдоль направления распространения волны, называются продольными.

Длина волны λ — это расстояние между двумя ближайшими точками, которые колеблются в одной фазе.

Формула волны: = λv.

 

Домашнее задание

1. П.: § 46.

2. 36.:

г1) — 21.2; 21.3; 21.7; 21.8;

р2) — 21.15; 21.16; 21.17;21.33;

г3) — 21.35; 21.37; 21.41.

3. Д.: подготовиться к самостоятельной работе по теме «Механические колебания и волны».