Физика · конспекты ★0
Физика › 9 класс › Механические волны. Звук

Тема 23Механические волны. Продольные и поперечные волны

★★★
Термины темы — найди их в тексте:Механическая волнаПродольная волнаПоперечная волнаДлина волныволнасжатия и разрежения

Бросьте камень в пруд — от него побегут круги. Колебания передаются от одних частиц воды к соседним: возникает волна.

Определение

Механическая волна — колебания, распространяющиеся в упругой среде.

Каждая частица среды колеблется около своего положения равновесия, а волна бежит дальше. Волна переносит энергию, но не переносит вещество: поплавок на волнах качается на месте.

Поплавок качается вверх-вниз, а волна бежит дальше
Поплавок качается вверх-вниз, а волна бежит дальше Иллюстрация: light-fizika.ru

Продольные и поперечные волны

Определение

Продольная волна — волна, в которой частицы колеблются вдоль направления её распространения. Поперечная волна — волна, в которой частицы колеблются перпендикулярно направлению её распространения.

Продольная волна — это бегущие сжатия и разрежения. Она возникает там, где есть упругость при сжатии, поэтому распространяется в любых средах: твёрдых, жидких и газообразных.

Продольная волна в пружине: сгущения и разрежения витков. Модель среды — шарики, соединённые пружинкамиПродольная волна в пружине: сгущения и разрежения витков. Модель среды — шарики, соединённые пружинками
Продольная волна в пружине: сгущения и разрежения витков. Модель среды — шарики, соединённые пружинками Иллюстрация: light-fizika.ru

Поперечная волна возникает там, где есть упругость при сдвиге. Поэтому внутри тела она распространяется только в твёрдых телах; ещё она бывает на поверхности жидкости.

Поперечная волна на шнуре: точки колеблются вверх-вниз, а волна бежит вправо
Поперечная волна на шнуре: точки колеблются вверх-вниз, а волна бежит вправо Иллюстрация: light-fizika.ru

Характеристики волны

У волны есть те же характеристики, что и у колебаний (амплитуда, период, частота), и свои собственные.

Определение

Длина волны (λ\lambda) — расстояние, на которое волна распространяется за один период.

Это же расстояние между ближайшими точками, которые колеблются одинаково, например между соседними гребнями.

λ=vT,v=λT=λν.\lambda=vT,\qquad v=\frac{\lambda}{T}=\lambda\nu.

Частота волны равна частоте колебаний источника, а скорость волны зависит от среды.

Пример решения

Поплавок совершает 10 колебаний за 20 с, а расстояние между соседними гребнями волн 1,5 м. Найдите скорость волны.

T=2010=2T=\dfrac{20}{10}=2 с; v=λT=1,52=0,75v=\dfrac{\lambda}{T}=\dfrac{1{,}5}{2}=0{,}75 м/с.

Образ для запоминания

Волна — «волна болельщиков на стадионе»: каждый встаёт и садится на своём месте, а «волна» бежит по трибунам. Движется энергия, а люди остаются на местах.

⚗ Мини-опыт

Выберите поперечную или продольную волну. Следите за отмеченной красной частицей: уходит ли она вместе с волной? Меняйте частоту — что происходит с длиной волны?

▶ Симуляция PhET

Выберите «Осциллятор» и «Нет конца». Меняйте частоту и амплитуду. Измерьте линейкой длину волны.

Волна из бус на нитиОткрыть ↗

Симуляция: PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, лицензия CC BY-NC 4.0 (phet.colorado.edu); русский перевод интерфейса.

? Проверь себя

Ответь, не подглядывая в конспект: вспоминать — лучший способ запомнить.

1Что переносит волна?
Частицы только колеблются около своих мест.
2Какие волны распространяются внутри газов?
В газе нет упругости при сдвиге.
3Как связаны скорость, длина волны и частота?
За период T=1/νT=1/\nu волна проходит одну длину волны.

✎ Задачи

А Уровень А по образцу: одна формула, один шаг

  1. Волна с частотой 4 Гц имеет длину 2 м. Найдите её скорость.

    Ответ

    v=2⋅4=8v=2\cdot4=8 м/с.

    Как получилось?
  2. Скорость волны 340 м/с, частота 170 Гц. Найдите длину волны.

    Ответ

    λ=340170=2\lambda=\dfrac{340}{170}=2 м.

    Как получилось?
  3. Чем продольная волна отличается от поперечной?

    Ответ

    В продольной частицы колеблются вдоль направления распространения волны, в поперечной — поперёк.

    Как получилось?
  4. Почему поперечные волны не распространяются внутри жидкостей и газов?

    Ответ

    В них не возникает упругость при сдвиге.

    Как получилось?
  5. Лодка качается на волнах с периодом 4 с, скорость волн 2 м/с. Найдите длину волны.

    Ответ

    λ=vT=8\lambda=vT=8 м.

    Как получилось?

Б Уровень Б сам: несколько шагов, перевод единиц

  1. За 10 с мимо наблюдателя прошло 5 гребней волны, расстояние между гребнями 3 м. Найдите скорость волны.

    Ответ

    T=2T=2 с; v=32=1,5v=\dfrac32=1{,}5 м/с.

    Как получилось?
  2. При землетрясении продольные волны регистрируют раньше поперечных. Почему?

    Ответ

    Продольные волны распространяются в земной коре быстрее поперечных.

    Как получилось?
  3. Частоту колебаний источника увеличили в 2 раза. Как изменится длина волны в той же среде?

    Ответ

    Скорость определяется средой и не меняется, поэтому λ=vν\lambda=\dfrac{v}{\nu} уменьшится в 2 раза.

    Как получилось?

↻ Закрепи

Карточки терминов

Нажми на карточку — она перевернётся. «Знаю» — карточка вернётся на повторение позже (через сутки, неделю, месяц), «Повторить» — скоро снова.

Механическая волна
Колебания, распространяющиеся в упругой среде.
Продольная волна
Волна, в которой частицы колеблются вдоль направления её распространения.
Поперечная волна
Волна, в которой частицы колеблются перпендикулярно направлению её распространения.
Длина волны (λ\lambda)
Путь волны за один период; расстояние между соседними гребнями.
Скорость волны
v = λ/T = λν
Что переносит волна
Энергию, но не вещество.

Экспресс-карта

Возьми лист и за 3 минуты нарисуй по памяти карту темы: в центре — тема, ветви — главные идеи, на ветвях — термины. Потом сравни.