9.70M

Category:

physics

Волны: механические и электромагнитные

Механическая волна
Механическая волна – возмущения среды, распространяющиеся в
пространстве с течением времени.
Тело, колебания которого порождают волны в среде, называют
источником волн.
Виды волн: поперечные и продольные.
Поперечны волны – те волны, при распространении которых частицы
смещаются перпендикулярно направлению смещения волны. (только
твердые тела, форма тела должна быть неизменной.
Продольные волны - те волны, при распространении которых частицы
смещаются вдоль направления распространения волны.

3.

Волны. Характеристики колебательного
движения.
Амплитуда – модуль наибольшего смещения тела
от положения равновесия (хmax )
Период – промежуток времени, в течение которого
происходит одно колебание (T).
Полное колебание – момент, когда тело
возвращается в исходное положение.
Частота – число колебаний за одну секунду.
Длина волны – кратчайшее расстояние между
точками, колеблющимися в одинаковых
фазах.
Скорость волны

4.

Механические волны. Задачи

5.

Скорость волны.
Скорость движения волны равна скорости
движения ее гребней.
На рисунке сдвиг в ¼ периода.
При движении волны не переносят вещества, но
переносят энергию

6.

Интерференция и дифракция волн
Интерференция волн - такое наложение волн, при котором
происходит устойчивое во времени их взаимное усиление в
одних точках пространства и ослабление в других, в
зависимости от соотношения между фазами этих волн.
Условие наблюдения: волны должны иметь одинаковые (или
близкие) частоты, чтобы картина, получающаяся в
результате наложения волн, не менялась во времени (или
менялась не очень быстро, что бы её можно было успеть
зарегистрировать)
Дифракция волны – способность огибать препятствия,
размеры которых меньше или сравнимы с длиной волны.

7.

Звуковые волны
Звуковые волны в воздухе - это продольные волны, то есть
чередующиеся разрежения и сгущения воздуха. Они сопровождаются изменениями давления.
Порождаются звуковые волны каким-либо колеблющимся
телом: голосовыми связками, мембраной динамика,
музыкальными инструментами и т. п.
Распространяясь в воздухе, звуковая волна достигает уха и
воздействует на барабанную перепонку. В звуковой волне,
соответствующей обычной речи, изменение давления
воздуха составляет всего лишь около одной миллионной
доли атмосферного давления.
Если разорвать «воздушную связь» между источником звука
и ухом, то мы звука не услышим. Это можно увидеть с
помощью опыта.

8.

Звуковые волны
Поместим электрический звонок под стеклянный колокол,
соединенный с воздушным насосом. Включим звонок и
начнём откачивать воздух. По мере откачивания звук будет
становиться всё тише и тише, хотя сквозь стекло видно, что
молоточек «старается» по-прежнему, ударяя в чашку
звонка.
Человеческое ухо воспринимает как звук колебания с
частотой от 20 Гц до 20 кГц. Поэтому механические волны с
частотой, лежащей в этом диапазоне, и называют
звуковыми.
Скорость распространения звуковых волн в разных средах
различна. Например, скорость звука в воздухе - около 330
м/с, в воде - около 1500 м/с, а в стали - более 5000 м/с.

9.

Звуковые волны. Ультразвук и инфразвук.
Человеческое ухо воспринимает как звук колебания с частотой от 20 Гц до 20 кГц.
Поэтому механические волны с частотой, лежащей в этом диапазоне, и называют
звуковыми.
Продольные механические волны с частотой выше звукового диапазона называют
ультразвуком, а с частотой ниже звукового диапазона - инфразвуком. Многие
животные способны слышать ультразвук. Например, собаки слышат ультразвук
частотой до 60 кГц, летучие мыши - до 150 кГц, а дельфины - до 200 кГц.
Ультразвук широко используется в технике и в медицине, - например, ультразвуковое
исследование внутренних органов (УЗИ) предпочитают сегодня рентгеновскому,
поскольку оно безопаснее для организма.
Инфразвуковые же колебания опасны для организма, так как они иногда вызывают
резонанс внутренних органов. Человек не слышит этих колебаний ухом, но
воспринимает их как неприятные ощущения. Инфразвуковые колебания вызываются,
на- пример, землетрясениями или вибрацией тяжёлых механизмов.

10.

Звуковые волны. Высота, громкость и тембр звука.
Человеческое ухо воспринимает как звук колебания с частотой от 20 Гц до 20 кГц. Поэтому
механические волны с частотой, лежащей в этом диапазоне, и называют звуковыми.
Звук характеризуется высотой: например, бас поёт низким голосом, а тенор - высоким. Опыты
показывают, что высота звука определяется частотой звуковой волны: чем больше частота волны, тем
звук выше.
Частота звуковых колебаний, соответствующих человеческому голосу, составляет от 80 Гц (низкий бас)
до 1400 Гц (самый высокий женский голос - колоратурное сопрано). «Разговорный» частотный
диапазон - от 85 до 340 Гц.
Громкость звука определяется в основном амплитудой звуковой волны. Воспринимаемая ухом
громкость зависит также от высоты звука, потому что ухо более чувствительно к одним частотам и
менее чувствительно к другим.
Единицей измерения громкости является децибел (дБ). Увеличению громкости на 10 дБ соответствует
увеличение интенсивности звука в 10 раз, на 20 дБ- в 100 раз, а на 30 дБ - в1000разит. д. Громкость
тихого шёпота и шелеста листьев - 20 дБ, обычной речи - 60 дБ, а рок-концерта - 120 дБ.
Тембр – «окраска» звука, которая различна при одной и той же ноте.
Тембр звука зависит от набора обертонов - частот, кратных основной частоте звука. Чем больше
обертонов, тем «насыщеннее», красивее звук.
Акустический резонанс. Усиление звука с помощью инструмента (например корпус скрипки).

11.

Звуковые волны. Задачи.

12.

Звуковые волны. Задачи.
Звуковой сигнал, отразившись от препятствия, вернулся обратно к источнику через 5 с после его
испускания. Каково расстояние от источника до препятствия, если скорость звука в воздухе
340 м/с? (Ответ дайте в метрах.)
Объясните, основываясь на известных физических законах и закономерностях, почему у басовых
труб органа длины большие, а у труб с высокими тонами — маленькие. Органная труба открыта с
обоих концов и звучит при продувании через неё потока воздуха.
Две лодки покоятся на поверхности озера на некотором расстоянии друг от друга. С первой лодки
одновременно посылаются два коротких звуковых сигнала, один из которых идёт в воздухе, а
второй — в воде. На второй лодке один из сигналов был принят через 0,8 с после отправки, а
другой — на 2,7 с позже первого сигнала. Найдите отношение скорости звука в воде к скорости
звука в воздухе. Ответ округлите до десятых долей.
Звуковая волна переходит из одной однородной среды в другую однородную среду. При этом
длина волны увеличивается. Определите, как при этом изменяются скорость и частота звуковой
волны. Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:
1) увеличивается
2) уменьшается
3) не изменяется

13.

Звуковые волны. Задачи.

14.

Примеры механических и
электромагнитных волн
Механические волны
Распространяются:
В твердых телах
(землетрясение, колебание
струн);
Жидкостях (волны на море);
Газах (распространение
звука).
Электромагнитные волны
Солнечный свет, радиоволны,
wi-fi

15.

Электромагнитная волна Распространяющиеся в пространстве переменные электрическое и
магнитное поля, порождающие взаимно друг друга
Продолжение следует…

16.

Электромагнитная волна Распространяющиеся в пространстве переменные электрическое и магнитное поля,
порождающие взаимно друг друга.
Исследования Фарадея были объяснены Дж.Максвеллом, который объяснил, что
переменное магнитное поле порождает в пространстве вихревое электрическое
поле.
Теоретически Максвелл получил, что скорость электромагнитных волн равна скорости
света.
Экспериментально это было проверено Герцем.
В опыте использовалось два незамкнутых проводящих контура.
В узком промежутке первого контура с помощью высокого
напряжения возбуждалась искра. Если бы электромагнитные волны
существовали, они должны были бы, распространившись в
пространстве, «зажечь» искру во втором контуре,
не соединённом с первым.
Опыт доказал, что электромагнитные волны существуют. А их скорость совпала со
скоростью света.

17.

Свойства электромагнитной волны.
Опыты показали, что электромагнитные волны обладают всеми свойствами
световых волн: например, они испытывают отражение и преломление на границе
двух сред. Это подтвердило предсказание Максвелла, что световые волны
являются частным случаем электромагнитных волн. Теоретически Максвелл
получил, что скорость электромагнитных волн равна скорости света.
Электромагнитные волны излучаются ускоренно движущимися заряженными
частицами. Например, колебания электронов в Солнце и звёздах рождают
электромагнитные волны, которые, пройдя огромные расстояния, достигают
наших глаз.
Когда заряженная частица совершает колебания, то излучаемые этой частицей
электромагнитные волны имеют частоту, равную частоте колебаний частицы.
Далее мы рассмотрим, как излучаются радиоволны.

18.

Свойства электромагнитной волны.
Электрические и магнитные пол электромагнитной волны
Опыты показывают, что если заряженная частица, являющаяся источником
электромагнитных волн, совершает гармонические колебания, то на большом
расстоянии от неё электрическое и магнитное поля представляют собой
гармонические волны.
Ниже схематически изображена электромагнитная волна: показана зависимость
от координат напряжённости электрического поля и индукции магнитного поля в
некоторый момент времени и указана длина электромагнитной волны.

19.

Свойства электромагнитной волны.
Электрические и магнитные пол электромагнитной волны
В каждой точке пространства, в котором движется электромагнитная волна, модуль
напряжённости электрического поля прямо пропорционален модулю индукции
магнитного поля.
Вектор напряжённости электрического поля и вектор магнитной индукции
направлены под прямым углом друг к другу.
Вектор напряжённости электрического поля и вектор магнитной индукции
направлены перпендикулярно направлению распространения волны.
Таким образом, электромагнитная
волна является поперечной волной.

20.

Где распространяются магнитные волны?
В отличие от звуковых волн электромагнитные волны могут распространяться в
вакууме, где их скорость - около 300 000 км/с. Это - наибольшая возможная
скорость.
Электромагнитные волны распространяются также во многих средах, где их
скорость меньше, чем в вакууме.
Эйнштейн предположил (и это предсказание было подтверждено на опыте), что
световые волны можно рассматривать как поток частиц - фотонов. А
возможность движения частиц в вакууме представляется вполне естественной.

21.

Давление света
Согласно теории Максвелла электромагнитные волны обладают не
только энергией, но и импульсом, то есть оказывают давление.
Расчёты показывают, что давление солнечного света на
отражающую поверхность вблизи Земли составляет примерно одну
десятимиллиардную часть атмосферного дав
Столь малое давление света смог измерить российский физик П.
Н. Лебедев. Он воспользовался тем, что на отражающую
поверхность свет оказывает вдвое большее давление, чем на
поглощающую.

22.

Давление света. Опыт Лебедева.
В сосуде, из которого был откачан воздух, на тонкой стеклянной нити
учёный подвесил стержень с крылышками. Одна их сторона была
зачернена и поэтому поглощала свет, а другая сторона была
зеркальной - она отражала свет. Из-за разности давлений света на
крылышки стержень поворачивался, и по углу закручивания нити
можно было измерить различие в силе давления света на разные
стороны крылышек. Результаты опыта Лебедева также подтвердили
предсказания теории Максвелла.

23.

Шкала электромагнитных волн

24.

Шкала электромагнитных волн

25.

Задачи

26.

Радиоволны
Впервые передача информации с помощью ЭМ волн была
осуществлена А. Поповым.
7 мая 1895 он продемонстрировал прибор, регистрирующий ЭМ
волны, порожденные грозой («грозоотметчик»). 24 марта 1896 уже
передал первую радиограмму «Генрих Герц». В следующем году
благодаря радиограмме, посланной Поповым, удалось спасти
жизнь 27 рыбакам, унесённым в море на оторвавшейся льдине.
В Западной Европе (Италии и Англии) передачей информации с
помощью радиоволн первым занялся итальянский инженер Г.
Маркони.

27.

Принципы радиосвязи. Часть 1.
Звуковые волны (с частотой от 20 Гц до 20 кГц)
преобразуют в переменный электрический ток с
помощью микрофона.
Однако преобразовывать в радиоволны такой же
частоты нет смысла, так как ЭМ волны низкой частоты
быстро затухают.
На большие расстояния можно передавать только
электромагнитные волны намного большей частоты от 1 МГц до 30 000 МГц (несущая частота)
В радиопередатчике с помощью специальных
приборов к высокочастотным электрическим
колебаниям «присоединяют» колебания звуковой
частоты. Этот процесс называют модуляцией, а
образовавшуюся волну называют модулированной.

28.

Принципы радиосвязи. Часть 2.
В радиопередатчике с помощью специальных приборов к
высокочастотным электрическим колебаниям
«присоединяют» колебания звуковой частоты. Этот процесс
называют модуляцией, а образовавшуюся волну называют
модулированной.
В результате с помощью передающей антенны в
пространство излучается модулированная волна, которая
достигает антенн радиоприёмников и телевизоров.
Достигнув приёмной антенны, модулированная волна
«раскачивает» в ней свободные электроны, вследствие чего
в антенне возникают такие же по форме модулированные
высокочастотные электрические колебания.

29.

Принципы радиосвязи. Часть 3.
В радиоприёмнике из принятой модулированной волны
«извлекают» переданную информацию, то есть получают
колебания той же часто- ты, которые были созданы
микрофоном. Этот процесс называют детектированием.
Наконец, электрические колебания звуковой частоты
преобразуют в звуковые волны с помощью динамика.
Использование волн высокой частоты позволяет решить ещё
одну принципиально важную для радиосвязи задачу. Благодаря
тому, что каждая радиостанция использует свою несущую
частоту, тысячи радиостанций могут работать одновременно,
не мешая друг другу.

30.

Передача радиоволн.
Устройство, в котором создаются и поддерживаются электромагнитные
колебания заданной частоты, называют генератором электромагнитных
колебаний. Основной его элемент - колебательный контур.
Конденсатор контура соединяют с передающей антенной, в которой
возникает переменный ток с частотой, равной собственной частоте
колебательного контура: свободные электроны в антенне совершают
вынужденные колебания с этой частотой. Поскольку при этом заряженные
частицы (электроны) движутся с ускорением, они излучают в пространство
электромагнитные волны той же частоты.
При излучении электромагнитных волн расходуется энергия, поэтому
колебательный контур необходимо постоянно «подпитывать» энергией. С
этой целью колебательный контур периодически (с частотой, равной
частоте колебаний в контуре) подключается к источнику тока. Этими
подключениями «управляет» сам колебательный контур с помощью
транзистора.

31.

Возможность радиоволн огибать
Землю.
Радиоволны отражаются ионосферой - слоем земной
атмосферы, расположенным на высоте 50-100 км и содержащим
большое количество ионов и свободных электронов
Особенно хорошо от ионосферы отражаются радиоволны с
длиной волны в несколько десятков метров (так называемые
короткие волны), поэтому радиостанции, вещающие на боль- шие
расстояния, работают обычно на таких волнах.

32.

Прием радиоволн.
Для настройки на волну определённой радиостанции в радиоприёмнике
тоже используется колебательный контур.
Вследствие явления резонанса в колебательном контуре «раскачиваются»
только колебания с частотой, близкой частоте его собственных колебаний
- а она определяется индуктивностью катушки и электроёмкостью
конденсатора в данном контуре.
Переключая диапазоны и поворачивая ручку настройки приёмника, вы
изменяете индуктивность катушки и электроёмкость конденсатора в
колебательном контуре, а следовательно, и частоту его собственных
колебаний. Так и происходит «настройка» на нужную станцию.
После выбора нужной «несущей» частоты принятый модулированный
сигнал сначала усиливают с помощью специальных приборов. Затем его
преобразуют в низкочастотные колебания звуковой частоты, повторяющие
колебания исходного звукового сигнала на передающей радиостанции.
Этот процесс называют детектированием.

33.

Работа мобильного телефона.
Мобильный телефон поддерживает постоянную радиотелефонную
связь при перемещении абонента в пределах так называемой зоны
покрытия.
Вся зона покрытия разделена на ячейки, называемые так- же
«сотами» (отсюда и название телефона). В каждой ячейке имеется
свой приёмник-передатчик (их антенны устанавливают на
телебашнях, высоких зданиях и на специально построенных
вышках).
Включённый сотовый телефон автоматически через определённый
промежуток времени посылает сигналы, поддерживая радиосвязь с
ближайшим приёмником-передатчиком.
При перемещении мобильного телефона из одной ячейки в другую
он автоматически переключается на свободный канал ближайшего
приёмника-передатчика.

34.

Излучения и спектры
Электромагнитные волны излучаются ускоренно движущимися
заряженными частицами. Излучение возникает также, когда атом
переходит из возбужденного состояния в основное и во время распада
ядра.
Существуют горячие и холодные источники излучения.
Тепловое излучение - это излучение нагретых тел. Тепловыми
источниками являются Солнце, лампа накаливания, пламя и т. д.
Холодное излучение – излучение от нетепловых источников. Например,
переменный ток вызывает появление электромагнитного поля; излучение
происходит и при переходе атома из возбуждённого состояния в
основное, а также при распаде ядра.

35.

Виды холодного излучения
Электролюминесценция - это свечение, сопровождающее разряд в газе
(полярные сияния, трубки для рекламных надписей).
Катодолюминесценция - это свечение твердых тел, вызванное
бомбардировкой их электронами (электронно-лучевых трубок).
Хемилюминесценция - это свечение, которое происходит при выделении
энергии в некоторых химических реакциях (светлячки, некоторые живые
организмы и т. д.).
Фотолюминесценция - это свечение тела непосредственно под
воздействием падающего на него излучения (флуоресцентная лампа,
светящиеся краски и т. д.).

36.

Характеристики излучения
Частотное распределение излучения характеризуется спектральной
плотностью потока излучения.
Спектральная плотность потока излучения I(ν) - интенсивность излучения
на единицу частотного интервала.

37.

Приборы и спектры
Спектральные аппараты - оптические устройства, в которых электромагнитное
излучение оптического диапазона разлагается на монохроматические составляющие.
Спектры излучения представляют собой набор частот или длин волн, которые
содержатся в излучении какого-либо вещества. Они бывают трёх видов.
1) Непрерывный (или сплошной) - это спектр, в котором представлены волны всех
длин волн в заданном диапазоне. При нагревании до высокой температуры твердые и
жидкие тела дают такой спектр, а также высокотемпературная плазма.
2) Линейчатый спектр - это цветные линии различной яркости, разделенные широкими
темными полосами. Такие спектры дают все вещества в газообразном атомарном
состоянии. Изолированные атомы излучают свет строго определенных длин волн.
3) Полосатый спектр представляет собой спектр, состоящий из отдельных полос,
разделенных темными интервалами. В отличие от линейчатых спектров полосатые
спектры образуются не атомами, а молекулами, которые не связаны или слабо
связаны друг с другом. Темными линиями на фоне непрерывного спектра являются
линии поглощения, которые вместе образуют спектр поглощения.

38.

Свойства
Длины волн (или частоты) линейчатого спектра вещества зависят только от
свойств его атомов, но не зависят от метода возбуждения свечения атомов
- это основное свойство линейчатых спектров.
Атомы любого химического элемента дают спектр, непохожий на спектры
всех других элементов: они способны излучать строго индивидуальный
набор длин волн. Метод определения химического состава вещества по его
спектру называется спектральным анализом. В астрономии с его помощью
определяют химический состав звёзд, планет, температуру и индукцию их
полей и многие другие характеристики. Он также успешно используется в
геологии, археологии, криминалистике, металлургии, атомной индустрии и
многих других сферах деятельности.