درس فیزیک "انتشار ارتعاشات در یک محیط. امواج"
بگذارید جسم نوسانی در محیطی باشد که در آن همه ذرات به هم متصل باشند. ذرات محیط در تماس با آن شروع به ارتعاش می کنند که در نتیجه تغییر شکل های دوره ای (مثلاً فشرده سازی و کشش) در نواحی محیط مجاور این جسم رخ می دهد. در طول تغییر شکل‌ها، نیروهای کشسانی در محیط ظاهر می‌شوند که تمایل دارند ذرات محیط را به حالت تعادل اولیه خود برگردانند.
بنابراین، تغییر شکل‌های دوره‌ای که در جایی در یک محیط کشسان ظاهر می‌شوند، بسته به ویژگی‌های محیط، با سرعت معینی منتشر می‌شوند. در این حالت، ذرات محیط توسط موج به حرکت انتقالی کشیده نمی‌شوند، بلکه حرکات نوسانی را در اطراف موقعیت‌های تعادلی خود انجام می‌دهند.
فرآیند انتشار حرکت نوسانی در یک محیط نامیده می شود فرآیند موج یا به سادگی موج. گاهی اوقات این موج را الاستیک می نامند، زیرا به دلیل خاصیت کشسانی محیط ایجاد می شود.
بسته به جهت نوسانات ذرات نسبت به جهت انتشار موج، امواج طولی و عرضی متمایز می شوند.نمایش تعاملی امواج عرضی و طولی
موج طولی –
این موجی است که در آن ذرات محیط در جهت انتشار موج در نوسان هستند.
یک موج طولی را می توان روی یک فنر نرم طولانی مشاهده کرد قطر بزرگ. با ضربه زدن به یکی از انتهای فنر، می توانید متوجه شوید که چگونه متراکم شدن پی در پی و نادر شدن پیچ های آن در سرتاسر فنر پخش می شود و یکی پس از دیگری می چرخد. در شکل، نقطه ها موقعیت سیم پیچ های فنری را در حالت سکون و سپس موقعیت سیم پیچ های فنری را در فواصل زمانی متوالی برابر با یک چهارم دوره نشان می دهند.
نمایش انتشار موج طولی
موج عرضی -
این موجی است که در آن ذرات محیط در جهت های عمود بر جهت انتشار موج نوسان می کنند.
اجازه دهید روند تشکیل امواج عرضی را با جزئیات بیشتری در نظر بگیریم. اجازه دهید به عنوان مدل یک طناب واقعی، زنجیره ای از توپ ها (نقاط مادی) را که توسط نیروهای کشسان به یکدیگر متصل شده اند، در نظر بگیریم. شکل روند انتشار یک موج عرضی را نشان می دهد و موقعیت توپ ها را در فواصل زمانی متوالی برابر با یک چهارم دوره نشان می دهد.
در لحظه اولیه زمان (t 0 = 0)همه نقاط در حالت تعادل هستند. سپس با انحراف نقطه 1 از وضعیت تعادل به مقدار A اختلال ایجاد می کنیم و نقطه 1 شروع به نوسان می کند، نقطه 2 که به صورت ارتجاعی به 1 متصل است کمی دیرتر وارد حرکت نوسانی می شود، نقطه 3 حتی دیرتر و غیره. . پس از یک چهارم دوره نوسان ( تی 2 = تی 4 ) به نقطه 4 گسترش می یابد، نقطه 1 زمان خواهد داشت تا از موقعیت تعادل خود با حداکثر فاصله برابر با دامنه نوسان A منحرف شود. پس از نیم دوره، نقطه 1 که به سمت پایین حرکت می کند، به موقعیت تعادل باز می گردد. 4 از موقعیت تعادل با فاصله ای برابر با دامنه نوسان A منحرف شده است، موج به نقطه 7 و غیره منتشر شده است.
تا آن زمان t5 = Tنقطه 1 با تکمیل یک نوسان کامل از موقعیت تعادل عبور می کند و حرکت نوسانی به نقطه 13 گسترش می یابد. تمام نقاط از 1 تا 13 به گونه ای قرار دارند که یک موج کامل متشکل از افسردگی هاو خط الراس
نمایش انتشار موج برشی
نوع موج به نوع تغییر شکل محیط بستگی دارد. امواج طولی ناشی از تغییر شکل فشاری- کششی، امواج عرضی ناشی از تغییر شکل برشی است. بنابراین، در گازها و مایعاتی که در آنها نیروهای الاستیک فقط در هنگام فشرده سازی ایجاد می شود، انتشار امواج عرضی غیرممکن است. در جامدات، نیروهای الاستیک هم در هنگام فشار (کشش) و هم در هنگام برش ایجاد می‌شوند، بنابراین هم امواج طولی و هم امواج عرضی می‌توانند در آنها منتشر شوند.
همانطور که از شکل ها نشان می دهد، در هر دو موج عرضی و طولی، هر نقطه از محیط اطراف موقعیت تعادل خود در نوسان است و بیش از یک دامنه از آن جابه جا می شود و حالت تغییر شکل محیط از یک نقطه از محیط به آن منتقل می شود. یکی دیگر. تفاوت مهم امواج الاستیکدر یک محیط از هر حرکت منظم دیگری از ذرات آن است که انتشار امواج با انتقال ماده در محیط همراه نیست.
در نتیجه، هنگامی که امواج منتشر می شوند، انرژی تغییر شکل الاستیک و تکانه بدون انتقال ماده منتقل می شود. انرژی موج در محیط الاستیک متشکل از انرژی جنبشی ذرات در حال نوسان و انرژی پتانسیل تغییر شکل الاستیک محیط است.
ما یک درس ویدیویی با موضوع "انتشار ارتعاشات در یک محیط الاستیک" به شما ارائه می دهیم. امواج طولی و عرضی." در این درس به بررسی مسائل مربوط به انتشار ارتعاشات در محیط الاستیک می پردازیم. شما خواهید آموخت که موج چیست، چگونه ظاهر می شود و چگونه مشخص می شود. بیایید خواص و تفاوت های امواج طولی و عرضی را مطالعه کنیم.
ما به مطالعه مسائل مربوط به امواج می رویم. بیایید در مورد اینکه موج چیست، چگونه ظاهر می شود و چگونه مشخص می شود صحبت کنیم. معلوم می شود که علاوه بر یک فرآیند نوسانی در یک ناحیه باریک از فضا، امکان انتشار این نوسانات در یک محیط نیز وجود دارد.
بیایید به بحث در مورد این توزیع بپردازیم. برای بحث در مورد امکان وجود نوسانات در یک محیط، باید تصمیم بگیریم که یک محیط متراکم چیست. محیط متراکم محیطی است که از تعداد زیادیذراتی که برهمکنش آنها بسیار نزدیک به الاستیک است. بیایید آزمایش فکری زیر را تصور کنیم.
برنج. 1. آزمایش فکری
اجازه دهید یک توپ را در یک محیط کشسان قرار دهیم. توپ کوچک می شود، اندازه آن کاهش می یابد و سپس مانند ضربان قلب منبسط می شود. در این صورت چه مواردی رعایت خواهد شد؟ در این صورت ذراتی که در مجاورت این توپ هستند حرکت آن را تکرار می کنند، یعنی. دور شدن، نزدیک شدن - در نتیجه آنها نوسان خواهند کرد. از آنجایی که این ذرات با سایر ذرات دورتر از توپ تعامل دارند، نوسان خواهند کرد، اما با کمی تأخیر. ذراتی که به این توپ نزدیک می شوند مرتعش می شوند. آنها به ذرات دیگر، دورتر منتقل خواهند شد. بنابراین، ارتعاش در همه جهات پخش می شود. لطفاً توجه داشته باشید که در این حالت حالت ارتعاش منتشر می شود. این انتشار حالت نوسان را موج می نامیم. می توان گفت که فرآیند انتشار ارتعاشات در یک محیط الاستیک در طول زمان، موج مکانیکی نامیده می شود.
لطفاً توجه داشته باشید: هنگامی که ما در مورد روند وقوع چنین نوساناتی صحبت می کنیم، باید بگوییم که آنها فقط در صورتی امکان پذیر هستند که بین ذرات برهم کنش وجود داشته باشد. به عبارت دیگر، موج تنها زمانی می تواند وجود داشته باشد که یک نیروی مزاحم خارجی و نیروهایی وجود داشته باشد که در برابر عمل نیروی مزاحم مقاومت کنند. در این مورد، اینها نیروهای الاستیک هستند. فرآیند انتشار در این مورد به چگالی و قدرت برهمکنش بین ذرات یک محیط معین مربوط خواهد شد.
به یک نکته دیگر توجه کنیم. موج ماده را منتقل نمی کند. از این گذشته، ذرات نزدیک به موقعیت تعادل در نوسان هستند. اما در عین حال، موج انرژی را منتقل می کند. این واقعیت را می توان با امواج سونامی نشان داد. ماده توسط موج حمل نمی شود، اما موج چنان انرژی دارد که بلایای بزرگی را به همراه دارد.
بیایید در مورد انواع موج صحبت کنیم. دو نوع وجود دارد - امواج طولی و عرضی. چه اتفاقی افتاده است امواج طولی? این امواج می تواند در همه رسانه ها وجود داشته باشد. و مثال با یک توپ تپنده در داخل یک محیط متراکم فقط نمونه ای از تشکیل یک موج طولی است. چنین موجی انتشار در فضا در طول زمان است. این تناوب تراکم و نادری یک موج طولی است. یک بار دیگر تکرار می کنم که چنین موجی می تواند در همه رسانه ها وجود داشته باشد - مایع، جامد، گاز. موج طولی موجی است که انتشار آن باعث می شود که ذرات محیط در جهت انتشار موج در نوسان باشند.
برنج. 2. موج طولی
همانطور که برای موج عرضی، پس موج عرضیفقط در جامدات و روی سطح مایعات وجود دارد. موج عرضی موجی است که انتشار آن باعث می شود که ذرات محیط عمود بر جهت انتشار موج در نوسان باشند.
برنج. 3. موج عرضی
سرعت انتشار امواج طولی و عرضی متفاوت است، اما این موضوع دروس زیر است.
فهرست ادبیات اضافی:
آیا با مفهوم موج آشنایی دارید؟ // کوانتومی. - 1985. - شماره 6. - ص 32-33. فیزیک: مکانیک. پایه دهم: کتاب درسی. برای مطالعه عمیق فیزیک / M.M. بالاشوف، A.I. گومونوا، A.B. دولیتسکی و دیگران؛ اد. جی.یا. میاکیشوا - م.: باستارد، 1381. کتاب درسی فیزیک ابتدایی. اد. G.S. لندسبرگ. T. 3. - M.، 1974.
اهداف درس:
آموزشی:
- شکل گیری مفهوم "موج مکانیکی"؛
- در نظر گرفتن شرایط وقوع دو نوع موج؛
- ویژگی های موج؛
در حال توسعه:
- توسعه توانایی به کارگیری دانش در موقعیت های خاص؛
آموزشی:
- پرورش علاقه شناختی؛
- انگیزه مثبت برای یادگیری؛
- دقت در انجام وظایف
نوع درس: درس شکل گیری دانش جدید.
تجهیزات:
برای تظاهرات:طناب لاستیکی، لیوان آب، پیپت، طرح ماشین موج، کامپیوتر، پروژکتور چند رسانه ای، ارائه امواج.
در طول کلاس ها
1. لحظه سازمانی.
اعلام موضوع و اهداف درس.
2. به روز رسانی دانش پایه
تست
انتخاب 1
. حرکت چرخشی.ب- حرکت توپی که به زمین می افتد،
2. کدام یک از ارتعاشات زیر آزاد است؟
ب- ارتعاشات مخروط بلندگو در حین کار با بلندگو.
3. فرکانس نوسانات بدن 2000 هرتز است. دوره نوسان چقدر است؟
4. معادله x=0.4 cos 5nt داده شده است. دامنه و دوره نوسان را تعیین کنید.
5. بار معلق روی نخ باعث ایجاد ارتعاشات کوچک می شود. با فرض اینکه نوسانات بدون میرا هستند، پاسخ های صحیح را نشان دهید.
. هر چه نخ بلندتر باشد فرکانس ارتعاش بیشتر می شود.ب- هنگامی که بار از موقعیت تعادل عبور می کند، سرعت بار حداکثر است.
ب- بار تحت حرکت دوره ای قرار می گیرد.
گزینه شماره 2
1- کدام یک از حرکات زیر ارتعاشات مکانیکی است؟
. حرکت شاخه های درخت.ب- حرکت قطرات باران به سمت زمین.
ب- حرکت سیم صدای گیتار.
2- کدام یک از نوسانات زیر اجباری است؟
. نوسانات بار روی فنر پس از یک انحراف از وضعیت تعادل آن.ب- حرکت پیستون در سیلندر یک موتور احتراق داخلی.
ب- نوسانات بار روی یک نخ، پس از خارج شدن از وضعیت تعادل و رها شدن.
3. دوره نوسان بدن 0.01 ثانیه است. فرکانس نوسان چقدر است؟
4. بدن متعهد می شود نوسان هارمونیکطبق قانون =20 sin nt. دامنه و دوره نوسانات را تعیین کنید.
5. بار معلق روی فنر ارتعاشات کوچکی در جهت عمودی ایجاد می کند. با فرض اینکه نوسانات بدون میرا هستند، پاسخ های صحیح را نشان دهید.
. هرچه سفتی فنر بیشتر باشد دوره نوسان طولانی تر می شود.ب- دوره نوسان به دامنه بستگی دارد.
ب- سرعت بار به صورت دوره ای در طول زمان تغییر می کند.
3. شکل گیری دانش جدید.
مدل فیزیکی اصلی ماده مجموعه ای از اتم ها و مولکول های متحرک و متقابل است. استفاده از این مدل این امکان را فراهم می کند که با استفاده از نظریه جنبشی مولکولی، خواص حالت های مختلف ماده و مکانیسم فیزیکی انتقال انرژی و تکانه در این محیط ها توضیح داده شود. در این حالت، با واسطه می توانیم گاز، مایع، جامد را بفهمیم.
اجازه دهید یک روش انتقال انرژی بدون انتقال ماده را در نتیجه انتقال متوالی انرژی و تکانه در امتداد زنجیره ای بین ذرات همسایه محیط در تعامل با یکدیگر در نظر بگیریم.
فرآیند موج فرآیند انتقال انرژی بدون انتقال ماده است.
نشان دادن تجربه:
بیایید یک طناب لاستیکی به سقف بچسبانیم و با یک حرکت تند دست، انتهای آزاد آن را به لرزش در آوریم. در نتیجه تأثیر خارجی بر محیط، اختلالی در آن ایجاد می شود - انحراف ذرات محیط از موقعیت تعادل.
انتشار امواج روی سطح آب را در یک لیوان دنبال کنید و آنها را با قطرات آب که از پیپت می ریزند ایجاد کنید.
موج مکانیکی اختلالی است که در یک محیط الاستیک از نقطه ای به نقطه دیگر (گاز، مایع، جامد) منتشر می شود.
معرفی مکانیسم تشکیل موج با استفاده از مدل ماشین موج. در این مورد، حرکت نوسانی ذرات و انتشار حرکت نوسانی را در نظر بگیرید.
امواج طولی و عرضی وجود دارد.
طولی - امواجی که در آنها ذرات محیط در جهت انتشار موج در نوسان هستند. (گازها، مایعات، جامدات). هنگامی که یک میخ با چکش وارد می شود، مشاهده می شود، یک ضربه طولی در امتداد میخ حرکت می کند و آن را عمیق تر می کند.
عرضی - امواجی که در آنها ذرات عمود بر جهت انتشار موج (جامد) ارتعاش می کنند. در یک طناب مشاهده می شود که یک سر آن شروع به نوسان می کند.
یک موج مسافرتی که خاصیت اصلی آن انتقال انرژی بدون انتقال ماده است: تابش الکترومغناطیسی خورشید زمین را گرم می کند، امواج اقیانوس ها سواحل را فرسایش می دهند.
ویژگی های موج.
طول موج مسافتی است که یک موج طی یک دوره نوسان ذرات آن طی می کند. در فاصله یک طول موج تاج ها یا فرورفتگی های مجاور در یک موج عرضی یا ضخیم شدن یا نادر شدن در یک موج طولی وجود دارد.
λ - طول موج.
سرعت موج - سرعت حرکت تاج ها و فرورفتگی ها در یک موج عرضی و تراکم و نادری در یک موج طولی.
v - سرعت موج
مقدمه ای بر فرمول های تعیین طول موج:
λ = v / v
v – فرکانس
تی - دوره زمانی
شکل گیری مهارت ها و توانایی ها.
حل مسئله.
1. پسری سطل های آب را روی یوغ حمل می کند که دوره نوسانات آزاد آن 1.6 ثانیه است. پسر با چه سرعتی حرکت می کند وقتی که آب به شدت شروع به پاشیدن می کند اگر طول قدم او 65 سانتی متر باشد؟
2. موجی در امتداد سطح آب در دریاچه با سرعت 8 متر بر ثانیه منتشر می شود. اگر طول موج 3 متر باشد دوره و فرکانس نوسان شناور چقدر است؟
3. طول موج در اقیانوس ها می تواند به 400 متر برسد و دوره آن 14.5 ثانیه است. سرعت انتشار چنین موجی را تعیین کنید.
خلاصه درس.
1. موج چیست؟
2. فرآیند تولید موج چگونه است؟
3. چه امواجی را در کلاس درک می کنیم؟
4. آیا انتقال ماده در محیط در هنگام تشکیل امواج اتفاق می افتد؟
5. مشخصات امواج را فهرست کنید.
6. سرعت، طول موج و فرکانس چگونه به هم مرتبط هستند؟
مشق شب:
P.31-33 (کتاب درسی فیزیک-9)
شماره 439.438 (Rymkevich A.P.)
در امواجهر گونه اختلال در وضعیت ماده یا میدانی است که در طول زمان در فضا منتشر می شود.
مکانیکیامواجی نامیده می شوند که در محیط های الاستیک به وجود می آیند، یعنی. در محیط هایی که در آن نیروهایی به وجود می آیند که از:
1) تغییر شکل کششی (فشاری)؛
2) تغییر شکل برشی.
در مورد اول وجود دارد موج طولی، که در آن ارتعاشات ذرات محیط در جهت انتشار ارتعاشات رخ می دهد. امواج طولی می توانند در اجسام جامد، مایع و گاز منتشر شوند، زیرا آنها با ظهور نیروهای الاستیک در هنگام تغییر همراه هستند جلد.
در حالت دوم، در فضا وجود دارد موج عرضی، که در آن ذرات محیط در جهت عمود بر جهت انتشار ارتعاشات ارتعاش می کنند. امواج عرضی فقط در جامدات می توانند منتشر شوند، زیرا مرتبط با وقوع نیروهای الاستیک هنگام تغییر است تشکیل می دهدبدن.
اگر جسمی در یک محیط الاستیک نوسان کند، بر ذرات محیط مجاور آن تأثیر می گذارد و باعث می شود که آنها نوسانات اجباری انجام دهند. محیط نزدیک جسم نوسانی تغییر شکل می‌دهد و نیروهای الاستیک در آن به وجود می‌آیند که به طور فزاینده‌ای بر ذرات محیطی که از بدن فاصله دارند، آنها را از وضعیت تعادل خارج می‌کند. با گذشت زمان، تعداد فزاینده ای از ذرات محیط درگیر حرکت نوسانی می شوند.
پدیده های موج مکانیکی از اهمیت بالایی برخوردار هستند زندگی روزمره. به عنوان مثال، به دلیل امواج صوتی ناشی از خاصیت ارتجاعی محیط، می توانیم بشنویم. این امواج در گازها یا مایعات نشان دهنده نوسانات فشار است که در محیط منتشر می شود. نمونه هایی از امواج مکانیکی را نیز می توان ذکر کرد: 1) امواج روی سطح آب، که در آن اتصال بین بخش های مجاور سطح آب نه به دلیل کشش، بلکه توسط گرانش و نیروها ایجاد می شود. کشش سطحی; 2) امواج انفجار ناشی از انفجار پوسته. 3) امواج لرزه ای - ارتعاشات در پوسته زمین که از محل زلزله منتشر می شود.
تفاوت بین امواج الاستیک و هر حرکت منظم ذرات محیط در این است که انتشار ارتعاشات با انتقال ماده از یک مکان به مکان دیگر در فواصل طولانی مرتبط نیست.
مکان هندسی نقاطی که نوسانات در یک نقطه زمانی معین به آن می رسند نامیده می شود جلوامواج. جبهه موج سطحی است که بخشی از فضا را که قبلاً درگیر فرآیند موج است از ناحیه ای که در آن نوسانات هنوز بوجود نیامده است جدا می کند.
مکان هندسی نقاطی که در یک فاز نوسان دارند نامیده می شود سطح موج. سطح موج را می توان از طریق هر نقطه ای از فضای تحت پوشش فرآیند موج ترسیم کرد. در نتیجه، تعداد نامتناهی سطح موج وجود دارد، در حالی که در هر لحظه از زمان تنها یک جبهه موج وجود دارد، که همیشه حرکت می کند. شکل جلو بسته به شکل و اندازه منبع نوسانات و خواص محیط می تواند متفاوت باشد.
در مورد یک محیط همگن و همسانگرد، امواج کروی از یک منبع نقطه ای منتشر می شوند. جبهه موج در این حالت یک کره است. اگر منبع نوسانات یک صفحه باشد، در نزدیکی آن هر قسمت از جبهه موج با قسمتی از صفحه تفاوت کمی دارد، بنابراین امواج با چنین جبهه ای را صفحه می نامند.
فرض کنید با گذشت زمان بخشی از جبهه موج به میزان . اندازه
سرعت انتشار جبهه موج یا سرعت فازامواج در این مکان
خطی که مماس آن در هر نقطه با جهت موج در این نقطه منطبق است، یعنی. با جهت انتقال انرژی نامیده می شود پرتو. در یک محیط همسانگرد همگن، پرتو مستقیم و عمود بر جبهه موج است.
نوسانات از یک منبع می تواند هم هارمونیک و هم غیر هارمونیک باشد. بر این اساس، امواج از سرچشمه جاری می شوند تک رنگو غیر تک رنگ. یک موج غیر تک رنگ (حاوی نوسانات فرکانس های مختلف) را می توان به موج های تک رنگ (که هر کدام دارای نوسانات با فرکانس یکسان هستند) تجزیه کرد. یک موج تک رنگ (سینوسی) یک انتزاع است: چنین موجی باید در مکان و زمان بی نهایت گسترش یابد.