Τα κύματα μας περιβάλλουν παντού, καθώς ζούμε σε έναν κόσμο κίνησης και ήχου. Ποια είναι η φύση της κυματικής διαδικασίας, ποια είναι η ουσία της θεωρίας των κυματικών διεργασιών; Ας το δούμε αυτό με ένα παράδειγμα πειραμάτων.
Η έννοια των κυμάτων στη φυσική
Μια κοινή ιδέα για πολλές διαδικασίες είναι η παρουσία ήχου. Εξ ορισμού, ο ήχος είναι το αποτέλεσμα γρήγορων ταλαντευτικών κινήσεων που δημιουργούνται από τον αέρα ή άλλο μέσο που γίνεται αντιληπτό από τα ακουστικά μας όργανα. Γνωρίζοντας αυτόν τον ορισμό, μπορούμε να προχωρήσουμε στην εξέταση της έννοιας της «διαδικασίας κύματος». Υπάρχει μια σειρά από πειράματα που σας επιτρέπουν να εξετάσετε οπτικά αυτό το φαινόμενο.
Οι διεργασίες κυμάτων που μελετήθηκαν στη φυσική μπορούν να παρατηρηθούν με τη μορφή ραδιοκυμάτων, ηχητικών κυμάτων, κυμάτων συμπίεσης κατά τη χρήση των φωνητικών χορδών. Διαδίδονται στον αέρα.
Για να ορίσετε οπτικά την έννοια, ρίξτε μια πέτρα σε μια λακκούβα και χαρακτηρίστε την εξάπλωση των εφέ. Αυτό είναι ένα παράδειγμα βαρυτικού κύματος. Εμφανίζεται λόγω της ανόδου και της πτώσης του υγρού.
Ακουστική
Μια ολόκληρη ενότητα που ονομάζεται "Ακουστική" είναι αφιερωμένη στη μελέτη των ιδιοτήτων του ήχου στη φυσική. Ας δούμε τι χαρακτηρίζει. Ας επικεντρωθούμε στα πράγματα καιδιεργασίες στις οποίες όλα δεν είναι ακόμη ξεκάθαρα, για προβλήματα που ακόμη περιμένουν να λυθούν.
Η ακουστική, όπως και άλλοι κλάδοι της φυσικής, έχει ακόμα πολλά άλυτα μυστήρια. Απομένουν ακόμη να ανοίξουν. Ας εξετάσουμε τη διαδικασία των κυμάτων στην ακουστική.
Ήχος
Αυτή η έννοια συνδέεται με την παρουσία ταλαντωτικών κινήσεων, οι οποίες παράγονται από τα σωματίδια του μέσου. Ο ήχος είναι μια σειρά ταλαντωτικών διεργασιών που σχετίζονται με την εμφάνιση κυμάτων. Κατά τη διαδικασία σχηματισμού στο μέσο συμπίεσης και αραίωσης, εμφανίζεται μια κυματική διαδικασία.
Οι δείκτες μήκους κύματος εξαρτώνται από τη φύση του μέσου όπου λαμβάνουν χώρα οι διεργασίες ταλάντωσης. Σχεδόν όλα τα φαινόμενα που συμβαίνουν στη φύση σχετίζονται με την παρουσία ηχητικών δονήσεων και ηχητικών κυμάτων που διαδίδονται στο περιβάλλον.
Παραδείγματα προσδιορισμού της κυματικής διαδικασίας στη φύση
Αυτές οι κινήσεις μπορούν να ενημερώσουν για το φαινόμενο της κυματικής διαδικασίας. Τα ηχητικά κύματα υψηλής συχνότητας μπορούν να ταξιδέψουν χιλιάδες χιλιόμετρα, όπως όταν εκρήγνυται ένα ηφαίστειο.
Όταν συμβαίνει ένας σεισμός, εμφανίζονται ισχυρές ακουστικές και γεωακουστικές δονήσεις, οι οποίες μπορούν να καταγραφούν από ειδικούς δέκτες ήχου.
Κατά τη διάρκεια ενός υποθαλάσσιου σεισμού, συμβαίνει ένα ενδιαφέρον και τρομερό φαινόμενο - ένα τσουνάμι, το οποίο είναι ένα τεράστιο κύμα που προέκυψε κατά τη διάρκεια μιας ισχυρής υπόγειας ή υποβρύχιας εκδήλωσης των στοιχείων.
Χάρη στην ακουστική, μπορείτε να λάβετε πληροφορίες ότι πλησιάζει ένα τσουνάμι. Πολλά από αυτά τα φαινόμενα είναι γνωστά εδώ και πολύ καιρό. Αλλά μέχρι τώρα, μερικές έννοιες της φυσικήςαπαιτούν προσεκτική μελέτη. Επομένως, για τη μελέτη μυστηρίων που δεν έχουν ακόμη λυθεί, είναι τα ηχητικά κύματα που έρχονται στη διάσωση.
Θεωρία της τεκτονικής
Τον 18ο αιώνα γεννήθηκε η «υπόθεση της καταστροφής». Εκείνη την εποχή, οι έννοιες «στοιχείο» και «κανονικότητα» δεν συνδέονταν. Στη συνέχεια ανακάλυψαν ότι η ηλικία του βυθού του ωκεανού είναι πολύ νεότερη από την ξηρά και αυτή η επιφάνεια ενημερώνεται συνεχώς.
Αυτή τη στιγμή, χάρη σε μια νέα ματιά στη γη, εκείνη η τρελή υπόθεση εξελίχθηκε στη θεωρία της «Τεκτονικής των λιθοσφαιρικών πλακών», η οποία δηλώνει ότι ο μανδύας της γης κινείται και το στερέωμα επιπλέει. Μια τέτοια διαδικασία είναι παρόμοια με την κίνηση του αιώνιου πάγου.
Για να κατανοήσετε τη διαδικασία που περιγράφεται, είναι σημαντικό να απαλλαγείτε από στερεότυπα και συνήθεις απόψεις, να συνειδητοποιήσετε άλλους τύπους ύπαρξης.
Περαιτέρω πρόοδοι στην επιστήμη
Η γεωλογική ζωή στη γη έχει τον δικό της χρόνο και την κατάσταση της ύλης. Η επιστήμη έχει καταφέρει να αναδημιουργήσει την ομοιότητα. Ο πυθμένας του ωκεανού κινείται συνεχώς, προκαλώντας ρήξεις και σχηματισμούς κορυφογραμμών καθώς νέα ύλη ανεβαίνει από τα βάθη της γης στην επιφάνεια και σταδιακά ψύχεται.
Αυτή τη στιγμή, συμβαίνουν διεργασίες στη στεριά όταν κολοσσιαίες πλάκες της λιθόσφαιρας επιπλέουν στην επιφάνεια του μανδύα της γης - το ανώτερο πέτρινο κέλυφος της γης, που μεταφέρει τις ηπείρους και τον βυθό.
Ο αριθμός τέτοιων πιάτων είναι περίπου δέκα. Ο μανδύας είναι ανήσυχος, έτσι οι λιθοσφαιρικές πλάκες αρχίζουν να κινούνται. Υπό εργαστηριακές συνθήκες, αυτή η διαδικασία έχει την εμφάνιση μιας χαριτωμένης εμπειρίας.
Στη φύση, απειλεί μια γεωλογική καταστροφή- σεισμός. Ο λόγος για την κίνηση των λιθοσφαιρικών πλακών είναι οι παγκόσμιες διεργασίες μεταφοράς που συμβαίνουν στα βάθη της γης. Το αποτέλεσμα του βρασμού θα είναι ένα τσουνάμι.
Ιαπωνία
Μεταξύ άλλων σεισμικά επικίνδυνων περιοχών της γης, η Ιαπωνία κατέχει μια ιδιαίτερη θέση, αυτή η αλυσίδα νησιών ονομάζεται "ζώνη της φωτιάς".
Ακολουθώντας στενά την ανάσα του στερεώματος της γης, μπορεί κανείς να προβλέψει την επικείμενη καταστροφή. Για να μελετηθούν οι ταλαντωτικές διεργασίες, εισήχθη ένα εξαιρετικά βαθύ γεωτρύπανο στο πάχος της γης. Διείσδυσε σε βάθος 12 χιλιομέτρων και επέτρεψε στους επιστήμονες να βγάλουν συμπεράσματα σχετικά με την παρουσία ορισμένων πετρωμάτων μέσα στη γη.
Η ταχύτητα ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος μελετάται στα μαθήματα φυσικής στην 9η τάξη. Δείξτε εμπειρία με βάρη που βρίσκονται σε ίση απόσταση μεταξύ τους. Συνδέονται με πανομοιότυπα ελατήρια της συνηθισμένης μορφής.
Αν μετατοπίσετε το πρώτο βάρος προς τα δεξιά για μια συγκεκριμένη απόσταση, το δεύτερο παραμένει στην ίδια θέση για λίγο, αλλά το ελατήριο έχει ήδη αρχίσει να συμπιέζεται.
Ορισμός του όρου "κύμα"
Αφού έχει γίνει μια τέτοια διαδικασία, έχει προκύψει μια ελαστική δύναμη που θα ωθήσει το δεύτερο βάρος. Θα πάρει επιτάχυνση, μετά από λίγο θα ανεβάσει ταχύτητα, θα κινηθεί προς αυτή την κατεύθυνση και θα συμπιέσει το ελατήριο μεταξύ του δεύτερου και του τρίτου βάρους. Με τη σειρά του, το τρίτο θα λάβει επιτάχυνση, θα αρχίσει να επιταχύνει, θα μετατοπιστεί και θα επηρεάσει το τέταρτο ελατήριο. Και έτσι η διαδικασία θα λάβει χώρα σε όλα τα στοιχεία του συστήματος.
Σε αυτήν την περίπτωση, η μετατόπιση του δεύτερου φορτίου κατά μήκοςο χρόνος θα συμβεί αργότερα από τον πρώτο. Το αποτέλεσμα πάντα υστερεί από την αιτία.
Επίσης, η μετατόπιση του δεύτερου φορτίου θα συνεπάγεται τη μετατόπιση του τρίτου. Αυτή η διαδικασία τείνει να εξαπλωθεί προς τα δεξιά.
Αν το πρώτο βάρος άρχισε να κυμαίνεται σύμφωνα με τον αρμονικό νόμο, τότε αυτή η διαδικασία θα εξαπλωθεί στο δεύτερο βάρος, αλλά με καθυστερημένη αντίδραση. Επομένως, εάν κάνετε το πρώτο βάρος να δονείται, μπορείτε να πάρετε μια ταλάντωση που θα εξαπλωθεί στο χώρο με την πάροδο του χρόνου. Αυτός είναι ο ορισμός του κύματος.
Ποικιλίες κυμάτων
Ας φανταστούμε μια ουσία που αποτελείται από άτομα, αυτά είναι:
- έχουν μάζα - όπως τα βάρη που προτείνονται στο πείραμα;
- συνδέονται μεταξύ τους, σχηματίζοντας ένα στερεό σώμα μέσω χημικών δεσμών (όπως συζητήθηκε στο πείραμα με ένα ελατήριο).
Ακολουθεί ότι η ύλη είναι ένα σύστημα που μοιάζει με μοντέλο από την εμπειρία. Μπορεί να διαδώσει ένα μηχανικό κύμα. Αυτή η διαδικασία συνδέεται με την εμφάνιση ελαστικών δυνάμεων. Τέτοια κύματα αναφέρονται συχνά ως "αναπήδηση".
Υπάρχουν δύο τύποι ελαστικών κυμάτων. Για να τα προσδιορίσετε, μπορείτε να πάρετε ένα μακρύ ελατήριο, να το στερεώσετε στη μία πλευρά και να το τεντώσετε προς τα δεξιά. Έτσι μπορείτε να δείτε ότι η κατεύθυνση διάδοσης του κύματος είναι κατά μήκος του ελατηρίου. Τα σωματίδια του μέσου κινούνται προς την ίδια κατεύθυνση.
Σε ένα τέτοιο κύμα, η φύση της κατεύθυνσης της ταλάντωσης των σωματιδίων συμπίπτει με την κατεύθυνση διάδοσης του κύματος. Αυτή η έννοια ονομάζεται "διαμήκη κύμα".
Αν τεντώσεις την άνοιξη και της δώσεις χρόνο να έρθεισε κατάσταση ηρεμίας, και μετά αλλάξτε απότομα τη θέση στην κατακόρυφη κατεύθυνση, θα φανεί ότι το κύμα διαδίδεται κατά μήκος του ελατηρίου και ανακλάται πολλές φορές.
Αλλά η κατεύθυνση της ταλάντωσης των σωματιδίων είναι πλέον κατακόρυφη και η διάδοση του κύματος είναι οριζόντια. Αυτό είναι ένα εγκάρσιο κύμα. Μπορεί να υπάρχει μόνο σε στερεά.
Η ταχύτητα των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων διαφορετικού είδους είναι διαφορετική. Αυτή η ιδιότητα χρησιμοποιείται με επιτυχία από σεισμολόγους για τον προσδιορισμό της απόστασης από τις πηγές σεισμών.
Όταν διαδίδεται ένα κύμα, τα σωματίδια ταλαντώνονται κατά μήκος ή κατά μήκος, αλλά αυτό δεν συνοδεύεται από μεταφορά ύλης, αλλά μόνο από κίνηση. Υποδεικνύεται λοιπόν στο σχολικό βιβλίο "Φυσική" Τάξης 9.
Χαρακτηρισμός της εξίσωσης κυμάτων
Η εξίσωση κυμάτων στη φυσική επιστήμη είναι ένα είδος γραμμικής υπερβολικής διαφορικής εξίσωσης. Χρησιμοποιείται επίσης για άλλους τομείς που καλύπτονται από τη θεωρητική φυσική. Αυτή είναι μια από τις εξισώσεις που χρησιμοποιεί η μαθηματική φυσική για υπολογισμούς. Συγκεκριμένα, περιγράφονται τα βαρυτικά κύματα. Χρησιμοποιείται για την περιγραφή διαδικασιών:
- στην ακουστική, κατά κανόνα, γραμμικού τύπου;
- στην ηλεκτροδυναμική.
Οι διεργασίες κυμάτων εμφανίζονται στον υπολογισμό για την πολυδιάστατη περίπτωση μιας ομοιογενούς κυματικής εξίσωσης.
Η διαφορά μεταξύ κύματος και αιώρησης
Οι αξιοσημείωτες ανακαλύψεις προέρχονται από τη σκέψη για ένα συνηθισμένο φαινόμενο. Ο Γαλιλαίος έλαβε τον χτύπο της καρδιάς του ως πρότυπο του χρόνου. Έτσι, ανακαλύφθηκε η σταθερότητα της διαδικασίας των ταλαντώσεων του εκκρεμούς - μια από τις κύριες διατάξεις της μηχανικής. Τοαπολύτως μόνο για ένα μαθηματικό εκκρεμές - ένα ιδανικό σύστημα ταλάντωσης, το οποίο χαρακτηρίζεται από:
- θέση ισορροπίας;
- δύναμη που επαναφέρει το σώμα στη θέση ισορροπίας του όταν αποκλίνει;
- μεταβάσεις ενέργειας όταν συμβαίνει διακύμανση.
Για να φέρει το σύστημα εκτός ισορροπίας, είναι απαραίτητη η προϋπόθεση για την εμφάνιση ταλαντώσεων. Σε αυτή την περίπτωση, αναφέρεται μια ορισμένη ενέργεια. Διαφορετικά συστήματα δόνησης απαιτούν διαφορετικούς τύπους ενέργειας.
Η ταλάντωση είναι μια διαδικασία που χαρακτηρίζεται από μια συνεχή επανάληψη κινήσεων ή καταστάσεων του συστήματος σε ορισμένες χρονικές περιόδους. Μια σαφής επίδειξη της ταλαντωτικής διαδικασίας είναι το παράδειγμα ενός αιωρούμενου εκκρεμούς.
Διαδικασίες ταλάντωσης και κυμάτων παρατηρούνται σχεδόν σε όλα τα φυσικά φαινόμενα. Το κύμα έχει τη λειτουργία να διαταράσσει ή να αλλάζει την κατάσταση του μέσου, να διαδίδεται στο διάστημα και να μεταφέρει ενέργεια χωρίς την ανάγκη μεταφοράς ύλης. Αυτή είναι μια χαρακτηριστική ιδιότητα των διεργασιών κυμάτων· έχουν μελετηθεί στη φυσική για μεγάλο χρονικό διάστημα. Όταν κάνετε έρευνα, μπορείτε να επισημάνετε το μήκος κύματος.
Ηχητικά κύματα μπορούν να υπάρχουν σε όλες τις σφαίρες, δεν υπάρχουν μόνο στο κενό. Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα έχουν ειδικές ιδιότητες. Μπορούν να υπάρχουν παντού, ακόμα και στο κενό.
Η ενέργεια ενός κύματος εξαρτάται από το πλάτος του. Το κυκλικό κύμα, που διαδίδεται από την πηγή, διασκορπίζει ενέργεια στο διάστημα, έτσι το πλάτος του μειώνεται γρήγορα.
Ένα γραμμικό κύμα έχει ενδιαφέρουσες ιδιότητες. Επομένως, η ενέργειά του δεν διαχέεται στο διάστηματο πλάτος τέτοιων κυμάτων μειώνεται μόνο λόγω της δύναμης της τριβής.
Η κατεύθυνση διάδοσης του κύματος απεικονίζεται με ακτίνες - γραμμές που είναι κάθετες στο μέτωπο του κύματος.
Η γωνία μεταξύ της προσπίπτουσας ακτίνας και της κανονικής είναι η γωνία πρόσπτωσης. Μεταξύ της κανονικής και της ανακλώμενης δέσμης βρίσκεται η γωνία ανάκλασης. Η ισότητα αυτών των γωνιών διατηρείται σε οποιαδήποτε θέση του εμποδίου σε σχέση με το μέτωπο του κύματος.
Όταν συναντώνται κύματα που κινούνται σε αντίθετες κατευθύνσεις, μπορεί να σχηματιστεί ένα στάσιμο κύμα.
Αποτελέσματα
Τα σωματίδια του μέσου μεταξύ γειτονικών κόμβων ενός στάσιμου κύματος ταλαντώνονται στην ίδια φάση. Αυτές είναι οι παράμετροι της κυματικής διαδικασίας που καθορίζονται στις κυματικές εξισώσεις. Όταν τα κύματα συναντώνται, μπορούν να παρατηρηθούν τόσο αυξήσεις όσο και μειώσεις στα πλάτη τους.
Γνωρίζοντας τα κύρια χαρακτηριστικά της κυματικής διαδικασίας, είναι δυνατό να προσδιοριστεί το πλάτος του κύματος που προκύπτει σε ένα δεδομένο σημείο. Ας προσδιορίσουμε σε ποια φάση το κύμα από την πρώτη και τη δεύτερη πηγή θα φτάσει σε αυτό το σημείο. Επιπλέον, οι φάσεις είναι αντίθετες.
Αν η διαφορά διαδρομής είναι περιττός αριθμός ημικυμάτων, το πλάτος του προκύπτοντος κύματος σε αυτό το σημείο θα είναι ελάχιστο. Εάν η διαφορά διαδρομής είναι ίση με μηδέν ή ακέραιο αριθμό μηκών κύματος, θα παρατηρηθεί αύξηση στο πλάτος του προκύπτοντος κύματος στο σημείο συνάντησης. Αυτό είναι ένα μοτίβο παρεμβολής όταν προστίθενται κύματα από δύο πηγές.
Η συχνότητα των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων είναι σταθερή στη σύγχρονη τεχνολογία. Η συσκευή λήψης πρέπει να καταγράφει ασθενή ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Εάν βάλετε ανακλαστήρα, περισσότερη ενέργεια κύματος θα εισέλθει στον δέκτη. Το σύστημα ανακλαστήρα είναι εγκατεστημένο έτσι ώστε να δημιουργεί το μέγιστοσήμα στη συσκευή λήψης.
Τα χαρακτηριστικά της κυματικής διαδικασίας αποτελούν τη βάση των σύγχρονων ιδεών για τη φύση του φωτός και τη δομή της ύλης. Έτσι, όταν τα μελετάτε σε ένα εγχειρίδιο φυσικής της 9ης δημοτικού, μπορείτε να μάθετε με επιτυχία πώς να επιλύετε προβλήματα από τον τομέα της μηχανικής.
