Волны окружают нас везде, так как мы живем в мире движений и звуков. Какова природа волнового процесса, в чем суть теории волновых процессов? Рассмотрим это на примере опытов.
Понятие о волнах в физике
Общим понятием для многих процессов является наличие звучания. По определению звука, он является результатом быстрых колебательных движений, которые создаются воздухом или другой средой, воспринимающимися нашими слуховыми органами. Зная это определение, можно перейти к рассмотрению понятия «волновой процесс». Существует ряд опытов, которые позволяют наглядно рассмотреть это явление.
Изучаемые волновые процессы в физике, могут наблюдаться в виде радиоволн, звуковых, волн сжатия при использовании голосовых связок. Они распространяются по воздуху.
Для визуального определения понятия в лужу бросают камень и характеризуют распространение эффектов. Это пример гравитационной волны. Она возникает вследствие поднятия и опускания жидкости.
Акустика
Изучению свойства звука в физике посвящен целый раздел, который называется «Акустика». Разберемся, что же он характеризует. Сосредоточим внимание на явлениях и процессах, в которых еще не все ясно, на проблемах, которые ещё только ждут своего решения.
У акустики, как и у других разделов физики, ещё много неразгаданных тайн. Их ещё предстоит открыть. Займемся рассмотрением волнового процесса в акустике.
Звук
Это понятие связано с наличием колебательных движений, которые производятся частицами среды. Звук – это ряд колебательных процессов, связанный с возникновением волн. В процессе образования в среде сжатий и разряжений и возникает волновой процесс.
Показатели длины волн зависят от характера среды, где имеют место колебательные процессы. Практически все явления, которые происходят в природе, связаны с наличием звуковых колебаний и звуковых волн, которые распространяются в среде.
Примеры определения волнового процесса в природе
Эти движения могут информировать о явлении волнового процесса. Высокочастотные звуковые волны могут распространяться на тысячи километров, например, если происходит извержение вулкана.
При землетрясении идут сильные акустические и геоакустические колебания, которые можно зарегистрировать специальными звуковыми приёмниками.
При подводном землетрясении имеет место интересное и страшное явление – цунами, которое представляет собой огромную волну, возникшую при мощном подземном или подводном проявлениях стихии.
Благодаря акустике можно получить информацию о том, что приближается цунами. Многие из таких явлений известны издавна. Но до сих пор некоторые понятия физики требуют тщательного изучения. Поэтому для исследования загадок, которые ещё не раскрыты, приходят на помощь именно звуковые волны.
Теория тектоники
В XVIII веке родилась «гипотеза катастроф». В то время не были связаны понятия «стихия» и «закономерность». Тогда обнаружили, что возраст дна мирового океана намного младше, чем суша, и эта поверхность постоянно обновляется.
Именно в это время, благодаря новому взгляду на землю, безумная гипотеза переросла в теорию «Тектоники литосферных плит», которая утверждает, что земная мантия движется, а твердь – плывет. Такой процесс подобен движению вечного ледохода.
Для понимания описанного процесса важно освободиться от стереотипов и привычных взглядов, осознать другие виды бытия.
Дальнейшие достижения науки
Геологическая жизнь на земле имеет свое время и состояние материи. Науке удалось воссоздать подобие. На дне океана происходит непрерывное движение, при котором возникают разрывы и образования рифтовых хребтов, когда новое вещество из глубин земли поднимается на поверхность и постепенно остывает.
В это время на суше происходят процессы, когда на поверхности земной мантии плавают колоссальные плиты литосферы – верхней каменной оболочки земли, которая несет на себе материки и морское дно.
Число таких плит насчитывает около десяти. Мантия неспокойна, поэтому литосферные плиты начинают двигаться. В лабораторных условиях этот процесс имеет вид изящного опыта.
В природе это грозит геологической катастрофой – землетрясением. Причиной движения литосферных плит являются глобальные процессы конвекции, которые происходят в глубинах земли. Результатом бурления будут цунами.
Япония
Среди других сейсмически опасных районов земли Япония занимает особенной место, эту цепь островов называют «огненным поясом».
Пристально следя за дыханием земной тверди, можно предсказать грозящую катастрофу. Для изучения колебательных процессов в толщу земли внедрили сверхглубокую буровую. Она проникла на глубину 12 км и позволила ученым сделать выводы о наличии внутри земли определенных пород.
Скорость электромагнитной волны изучают на уроках физики в 9 классе. Показывают опыт с грузиками, расположенными на равном расстоянии друг от друга. Они связаны одинаковыми пружинками обычного вида.
Если сместить первый грузик вправо на определенное расстояние, второй некоторое время остается в прежнем положении, но пружинка уже начинает сжиматься.
Определение понятия «волна»
Поскольку произошёл такой процесс, возникла сила упругости, которая будет толкать второй грузик. Он получит ускорение, через некоторое время наберет скорость, сместится в этом направлении и сожмет пружинку между вторым и третьим грузиком. В свою очередь, третий получит ускорение, начнет разгоняться, сместится и повлияет на четвертую пружинку. И так процесс будет происходить на всех элементах системы.
При этом смещение второго груза по времени будет происходить позже, чем первого. Следствие всегда запаздывает по отношению к причине.
Также смещение второго груза повлечет за собой смещение третьего. Данный процесс имеет тенденцию распространяться вправо.
Если первый груз начал колебаться по гармоническому закону, тогда этот процесс распространится и на второй грузик, но с запоздалой реакцией. Следовательно, если заставить колебаться первый груз, можно получить колебание, которое распространится в пространстве с течением времени. Это и есть определение волны.
Разновидности волн
Представим вещество, которое состоит из атомов, они:
- обладают массой – как предложенные в опыте грузики;
- соединяются друг с другом, образуя твердое тело путем химических связей (как рассмотренные в опыте с пружинкой).
Отсюда следует, что вещество является системой, напоминающей модель из опыта. В нем может распространяться механическая волна. Этот процесс связан с возникновением сил упругости. Такие волны часто называют «упругими».
Существует два типа упругих волн. Для их определения можно взять длинную пружину, закрепить её с одной стороны и растянуть вправо. Так можно увидеть, что направление распространения волны – вдоль пружины. Частицы среды смещаются в том же самом направлении.
В такой волне характер направления колебания частиц совпадает с направлением распространения волны. Данное понятие называется «продольная волна».
Если растянуть пружинку и дать ей время прийти в состояние покоя, а потом резко изменить положение в вертикальном направлении, будет видно, что волна распространяется вдоль пружины и многократно отражается.
Но направление колебания частиц теперь вертикальное, а распространение волны – горизонтальное. Это поперечная волна. Она может существовать только в твердых телах.
Скорость электромагнитной волны разного вида отличается. Этим свойством успешно пользуются сейсмологи, чтобы определить расстояние до очагов землетрясения.
Когда распространяется волна, отмечается колебание частиц вдоль или поперек, но это не сопровождается переносом вещества, а только движением. Так указано в учебнике «Физики» 9 класс.
Характеристика волнового уравнения
Волновое уравнение в физической науке – разновидность линейного гиперболического дифференциального уравнения. Оно используются также для других областей, которые охватывает теоретическая физика. Это одно из уравнений, которые применяет для расчетов математическая физика. В частности, описываются гравитационные волны. Применяются для описания процессов:
- в акустике, как правило, линейного типа;
- в электродинамике.
Волновые процессы отображаются в вычислении для многомерного случая однородного волнового уравнения.
Отличие между волной и колебанием
Замечательные открытия следуют из размышлений над заурядным явлением. Галилей за эталон времени брал биение своего сердца. Так было открыто постоянство процесса колебаний маятника – одно из основных положений механики. Оно абсолютно лишь для математического маятника – идеальной колебательной системы, которая характеризуется:
- положением равновесия;
- силой, возвращающей тело в положение равновесия при его отклонении;
- переходами энергии при возникновении колебания.
Для выведения системы из равновесия необходимо условие возникновения колебания. При этом сообщается определенная энергия. Разным колебательным системам требуются различные виды энергии.
Колебанием называется процесс, который характеризуется постоянным повторением движений или состояний системы в определенные периоды времени. Наглядной демонстрацией колебательного процесса является пример качающегося маятника.
Колебательные и волновые процессы наблюдаются почти во всех природных явлениях.
Волна имеет функцию возмущать или изменять состояния среды, распространяемое в пространстве и несущее энергию без необходимости переносить вещество. Это отличительное свойство волновых процессов, они в физике изучаются давно. При исследованиях можно выделить длину волны.
Звуковые волны могут существовать во всех сферах, их нет только в вакууме. Особыми свойствами обладают электромагнитные волны. Они могут существовать везде, даже в вакууме.
Энергия волны зависит от её амплитуды. Круговая волна, распространяясь от источника, рассеивает энергию в пространстве, поэтому её амплитуда быстро уменьшается.
Интересными свойствами обладает линейная волна. Её энергия не рассеивается в пространстве, поэтому амплитуда таких волн убывает только за счет силы трения.
Направление распространения волн изображается лучами – линиями, которые перпендикулярны к фронту волны.
Угол между падающим лучом и нормалью – это угол падения. Между нормалью и отраженным лучом – угол отражения. Равенство этих углов сохраняется при любом положении преграды относительно волнового фронта.
При встрече волн, движущихся в противоположных направлениях, может образовываться стоячая волна.
Итоги
Частицы среды между соседними узлами стоячей волны колеблются в одинаковой фазе. Таковы параметры волнового процесса, зафиксированные в волновых уравнениях. При встрече волн могут наблюдаться как увеличения, так и уменьшения их амплитуд.
Зная основные характеристики волнового процесса, можно определить амплитуду результирующей волны в данной точке. Установим, в какой фазе придет в эту точку волна от первого и второго источника. Причем фазы противоположны.
Если разность хода – нечетное число полуволн, амплитуда результирующей волны в этой точке будет минимальная. Если разность хода равна нулю или целому числу длины волн, в точке встречи будет наблюдаться увеличение амплитуды результирующей волны. Это интерференционная картина при сложении волн от двух источников.
Частота электромагнитных волн фиксируется в современной технике. Приёмное устройство должно регистрировать слабые электромагнитные волны. Если поставить отражатель, в приёмник попадет больше энергии волн. Систему отражателей устанавливают так, чтобы она создавала максимальный сигнал на приёмном устройстве.
Характеристики волнового процесса лежат в основе современных представлений о природе света и строении материи. Таким образом, при изучении их по учебнику физики 9 класса можно успешно научиться решать задачи из области механики.
