Наблюдения. Стоя на берегу озера или пруда, вы могли наблюдать, как кольцами разбегаются волны от места, куда был брошен камень, как волны раскачивают лодку или катер. Ветер нарушает равновесие морской поверхности, кажется, что море надвигается на берег, но это не так. Не перемещаются по полю колосья, когда «волнуется» нива, они только наклоняются и опять выпрямляются. Вслед за кораблем или лодкой всегда возникает типичная картина волн.
Волновые процессы широко распространены в природе. Физические основы волновых движений различны, но все они объясняются одинаковыми законами.
Что же такое волна? Каковы причины возникновения волн?
Вам известно, что твердые, жидкие и газообразные тела состоят из частей, взаимодействующих между собой. Если частица тела начинает совершать колебания, то в результате взаимодействия ее с другими частицами тела это движение распространяется с определенной скоростью во всех направлениях.
Волна — процесс распространения колебаний в любой среде. Волна — это изменение состояния среды, распространяющееся в пространстве и переносящее энергию.
Наблюдения. Рассмотрим особенности распространения волн. Если рассматривать волны на поверхности воды (рис. 204), то они кажутся валами, движущимися в определенном направлении, причем расстояния между валами, или гребнями, одинаковы.
Если бросить в воду поплавок, его не будет относить волной, а он начнет совершать колебания вверх-вниз, оставаясь почти на одном месте.
При распространении волны изменяется состояние колеблющейся среды, но не перенос вещества. От брошенного камня начинает колебаться определенный участок воды, эти колебания передаются соседним участкам и постепенно распространяются во все стороны. Течение воды не возникает, перемещается только форма ее поверхности.
Опыт 1. Закрепим один конец длинного резинового шнура и легонько заставим шнур колебаться. По шнуру побежит волна (рис. 205). Чем сильнее колеблется шнур, тем больше скорость распространения волны. Волна добежит до точки крепежа, отразится и побежит в обратном направлении.
При распространении волны изменяется только форма шнура, а каждый его участок колеблется относительно своего положения равновесия, причем колебания происходят в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны (рис. 206). Такие волны называют поперечными волнами.
Поперечные волны — это волны, в которых частицы совершают колебания в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны.
Опыт 2. Если ударить по одному из концов длинной мягкой пружины большого диаметра, то по пружине «побежит» сжатие. Повторяя удары, можно возбудить в пружине волну, представляющую собой последовательные сжатия и растяжения пружины, «бегущие» друг за другом (рис. 207). Любой виток пружины совершает колебания вдоль направления распространения волны. Такую волну называют продольной волной.
Продольные волны — это волны, в которых частицы совершают колебания вдоль направления распространения волны.
При распространении волны движение передается от одного участка тела к другому. С передачей движения связана передача энергии. Передача энергии без передачи вещества — основное свойство всех волн.
Любые волны характеризуются длиной и скоростью их распространения.
Длина волны — это расстояние между ближайшими друг к другу точками волны, колеблющимися в одинаковых фазах (рис. 208).
Длину волны обозначают греческой буквой А, (лямбда). Ее единицей является один метр (1 м).
Волны любого происхождения распространяются в пространстве не мгновенно, а с определенной скоростью. Например, можно увидеть, как чайка летит над морем будто все время над одним гребнем волны. В этом случае скорость полета чайки равна скорости распространения волны.
А как можно определить скорость распространения волны?
Вы уже знаете, что любое колебание характеризуется периодом колебаний, то есть временем, после которого колебания повторяются. Тогда можно сказать, что за один период волна распространяется на расстояние X. Поэтому скорость ее распространения можно найти по формуле:
где v — скорость распространения волны (м/с); X — длина волны (м); Т - период колебаний (с).
Так как период и частота связаны соотношением
Чтобы определить скорость распространения волны, надо длину волны разделить на период колебаний или длину волны умножить на частоту колебаний.
ВОПРОСЫ К ИЗУЧЕННОМУ
1. Что такое волна?
2. Какие волны называют поперечными?
3. Какие волны называют продольными?
4. Назовите основное свойство волн.
5. Что такое длина волны?
6. Как можно определить скорость распространения волны?
ЗАДАЧИ И УПРАЖНЕНИЯ
Решаем вместе
1. Определите скорость распространения волны на воде, если ее длина равна 180 м, а период колебаний - 15 с.
Ответ'. 12 м/с.
2. Каково основное свойство механической волны?
Ответ', переносить энергию.
Уровень А
131. Укажите названия физических величин, характеризующих волну, закрытых светлыми прямоугольниками (рис. 209).
132. По поверхности воды в озере волна распространяется со скоростью 6 м/с. Определите период и частоту колебаний бакена, если длина волны 3 м.
133. Определите длину волны, если ее частота 4 Гц, а скорость ее распространения 2 м/с.
134. В океанах длина волны достигает 270 м, а период - 13,5 с. Какова скорость распространения такой волны?
135. Лодка качается на волнах, распространяющихся со скоростью 1,5 м/с. Расстояние между двумя ближайшими гребнями волн 6 м. Определите период колебаний лодки.
Уровень Б
136. Морские волны, приближаясь к берегу, увеличивают свою высоту. Как это объяснить?
137. На рисунке 210 изображено, как во время землетрясения в океане образуются гигантские волны-цунами. Объясните, как они возникают.
138. В реку бросили камень. Какой формы будет образованная волна: круглая или вытянутая?
139. При каких условиях дамба защищает стоящие в порту корабли от шторма в море?
140. Выполните такие опыты: бросьте как можно более вертикально камень в стоячую воду. Вы, очевидно, будете наблюдать образование волн, распространяющихся концентрическими кольцами. А что произойдет, если этот же камень бросить в реку с быстрым течением?
141. По поверхности воды в озере волна распространяется со скоростью 6 м/с. Определите период и частоту колебаний бакена, если длина волны 3 м.
Это материал учебника Физика 9 класс Сиротюк