2-й семестр
МЕХАНИКА
4. Механические колебания и волны
Урок 6/65
Тема. Механические волны
Цель урока: дать учащимся понятие о волновой движение как процесс распространения колебаний в пространстве с течением времени; изучить механизм образования поперечных и продольных волн
Тип урока: изучение нового материала
План урока
Контроль знаний |
5 мин. |
1. Вынужденные колебания.
2. Резонанс.
3. Применение резонанса и борьба с ним |
Демонстрации |
4 мин. |
1. Механическая модель поперечной волны.
2. Механическая модель продольной волны.
3. Фрагменты видеофильма «Поперечные и продольные волны» |
Изучение нового материала |
26 мин. |
1. Механическая волна.
2. Поперечные и продольные волны.
3. Длина волны |
Закрепление изученного материала |
10 мин. |
1. Тренируемся решать задачи.
2. Контрольные вопросы |
ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА
1. Механическая волна
Источниками волн являются колеблющиеся тела. Если такое тело находится в каком-либо среде, колебания передаются прилегающим частицам вещества. А поскольку частицы вещества взаимодействуют друг с другом, колеблющиеся частицы передают колебания своим «соседям». В результате колебания начинают распространяться в пространстве. Так и возникают волны.
Ø Волной называют процесс распространения колебаний с течением времени.
Механические волны в среде обусловлены упругими деформациями среды. Образование различных волн объясняется наличием силовых связей между частицами, участвующих в колебаниях.
Любая волна переносит энергию, ведь волна - это колебания, распространяющиеся в пространстве, а любые колебания, как мы знаем, имеют энергию. Механическая волна переносит энергию, но не переносит вещество.
2. Поперечные и продольные волны
При распространении волны частицы среды колеблются в пределах определенного положения равновесия и не перемещаются вдоль шнура. В зависимости от направления колебаний частиц относительно направления распространения волны, различают волны поперечные и продольные.
Ø Волны, в которых частицы среды во время колебаний сдвигаются в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны, называются поперечными.
Следовательно, деформации в среде вследствие распространения поперечной волны - это деформации сдвига в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны.
Поперечные волны могут распространяться только в твердых телах. Дело в том, что такие волны обусловлены деформациями сдвига, а в жидкостях и газах не существует деформаций сдвига: жидкости и газы не «оказывают сопротивления» смене формы.
Для поперечных волн характерным является образование бугров и впадин, которые перемещаются со скоростью распространения волны (см. рис.).
Это обусловлено тем, что каждая следующая точка шнура колеблется в направлении, перпендикулярном к нему, с опозданием в фазе относительно предыдущей. Именно это различие в фазе и приводит к перемещению формы, т.е. бугров и впадин. Такая волна называется проточной.
Ø Волны, в которых частицы среды во время колебаний сдвигаются вдоль направления распространения волны, называются продольными.
Пример продольной волны - волна, что бежит по мягкой пружине, когда один ее конец совершает колебания под действием периодической внешней силы, направленной вдоль пружины.
Деформации в среде вследствие распространения продольной волны - это деформации растяжения и сжатия. Такие деформации присутствуют во всех средах (твердом, жидком и газообразном), потому что изменению объема «сопротивляется» любую среду. Следовательно, продольные волны могут распространяться в любой среде.
Для продольной волны характерным является образование сгущений и разжижений, передвигающихся со скоростью волны.
Обратите внимание, что волны на поверхности воды не являются продольными или поперечными. Они имеют сложный продольно-поперечный характер, и при этом частицы жидкости движутся по кругу.
3. Длина волны
Если источник волн совершает гармонические колебания, то каждая точка среды, в котором распространяется волна, также совершает гармонические колебания, причем с той же частотой, что и источник волн. В этом случае волна имеет характерную синусоидальную форму. Максимум волны называют ее гребнями.
Ø Частоту колебаний каждой точки среды называют частотой волны v. Величину, обратную частоте, называется периодом волны: = λv.
Ø Длина волны λ - это расстояние между двумя ближайшими точками, которые колеблются в одной фазе.
За время одного полного колебания волна распространяется на расстояние, равное длине волны, поэтому можно дать еще одно определение длины волны:
Ø расстояние, на которое распространяются колебания за время одного периода, называется длиной волны.
Поскольку скорость волны для определенной среды - величина постоянная, то ее можно вычислить по формуле: = s/t. С учетом того, что t = T и s = λ, получаем: = λ/t. Но 1/t = v, поэтому окончательно получаем:
Эту формулу называют формулой волны.
Скорость волны зависит от свойств среды, в которой эта волна распространяется. В твердых телах скорость продольных
волн больше скорости поперечных. Это обстоятельство используется, например, для определения местоположения эпицентров землетрясений. Во время землетрясения образуются волны обоих типов, поэтому, зная скорость продольных и поперечных волн в земной коре и время запаздывания поперечной волны, можно определить расстояние до эпицентра землетрясения.
Вопрос к ученикам во время изложения нового материала
1. Что является источником механических волн?
2. Или переносят волны вещество? энергию?
3. Приведите примеры тех сред, в которых могут распространяться поперечные волны; продольные волны.
4. Или одинаковой является длина волны одной и той же частоты в различных средах?
ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА
1). Тренируемся решать задачи
1. Лодка качается на волне с частотой 0,5 Гц. Чему равна скорость этой волны, если расстояние между соседними гребнями - 3 м?
2. Продольные или поперечные волны возникают:
а) в струнах при игре на гитаре;
б) в воздушном столбе внутри духовой трубы, когда музыкант дует в трубу;
в) на поверхности воды, если ударить по ней ладонью?
(Ответ: а) поперечные; б) продольные; в) эти волны нельзя отнести ни в продольных, ни поперечных).
3. Подводная лодка всплыла на расстоянии 100 м от берега, создав волны на поверхности воды. Волны дошли до берега за 20 с, причем за последующие 15 сек состоялось 30 всплесков волн о берег. Которой является расстояние между гребнями соседних волн?
4. Которой является скорость морских волн, если они поднимают плавучий буй каждые 1,5 с, а расстояние между гребнями соседних волн равно 6 м?
2). Контрольные вопросы
1. Что такое поперечные волны и где они могут распространяться?
2. Что такое продольные волны и где они могут распространяться?
3. Возможны поперечные волны в жидкостях и газах?
4. Почему волны переносят энергию?
Что мы узнали на уроке
• Волной называют процесс распространения колебаний с течением времени.
• Волны, в которых частицы среды во время колебаний сдвигаются в направлении, которое является перпендикулярным к направлению распространения волны, называются поперечными.
• Волны, в которых частицы среды во время колебаний сдвигаются вдоль направления распространения волны, называются продольными.
• Длина волны λ - это расстояние между двумя ближайшими точками, которые колеблются в одной фазе.
• Формула волны: = λv.
Домашнее задание
1. П.: § 46.
2. 36.:
г1) - 21.2; 21.3; 21.7; 21.8;
р2) - 21.15; 21.16; 21.17;21.33;
г3) - 21.35; 21.37; 21.41.
3. Д.: подготовиться к самостоятельной работе по теме «Механические колебания и волны».