Упругие и электромагнитные волны

Упругие волны – волны, распространяющиеся в жидких, твёрдых и газообразных средах за счёт действия упругих сил. В зависимости от частоты различают инфразвуковые, звуковые и ультразвуковые упругие волны.

В жидких и газообразных средах может распространяться только один тип упругих волн — продольные волны. В волне этого типа движение частиц осуществляется в направлении распространения волны.

В твёрдых телах существуют касательные напряжения, что приводит к существованию других типов волн, в которых движение частиц осуществляется по более сложным траекториям.

Упругие волны, распространяющиеся в земной коре, называют сейсмическими волнами.

Волновой процесс (волна) – изменение состояния сплошной среды или физического поля (возмущение), распространяющееся либо колеблющееся в пространстве и времени или в фазовом пространстве. Другими словами, волнами или волной называют изменяющееся со временем пространственное чередование максимумов и минимумов любой физической величины — например, плотности вещества, напряжённости электрического поля, температуры.

Сплошная среда – среда, непрерывно распределенная в пространстве и обладающая упругими свойствами.

Упругие (механические волны) – механические возмущения, распространяющиеся в упругой среде. При распространении волны, частицы среды не движутся вместе с волной, а колеблются около своих положений равновесия. Вместе с волной от частицы к частице среды передаются лишь состояния колебательного движения и его энергия. Поэтому основным свойством всех волн, независимо от их природы, является перенос энергии без переноса вещества.

Упругая волна называется гармонической, если соответствующие ей колебания частиц среды являются гармоническими.

Упругие волны бывают двух типов:

• Поперечные волны – в них частицы среды колеблются в плоскостях, перпендикулярных направлению распространения волны.

• Продольные волны – в них частицы среды колеблются в направлении распространения волны.

Продольные волны могут распространяться в газах, жидкостях и твердых делах, поперечные волны – в твердых телах.

Скорость распространения волны (фазовая скорость) – физическая величина, определяемая расстоянием, проходимым за единицу времени любой точкой волновой поверхности.

Волновая поверхность (фронт) – геометрическое место точек среды, колеблющихся в одинаковой фазе.

График гармонической поперечной волны, распространяющейся со скоростью v вдоль оси x – это зависимость между смещением y частиц среды, участвующих в волновом процессе, и расстоянием x этих частиц (например,

частицы B) от источника колебаний O для какого-то фиксированного момента времени t (рис. 8.15).

Рис. 8.15

y

x

x

λ

B

λ

Рис. 8.15

y

x

x

λ

B

λ

Длина волны – расстояние между двумя ближайшими частицами, колеблющимися в одинаковой фазе. Длина волны равна расстоянию, на которое распространяется определенная фаза колебания за период:

где – частота колебаний.

Принцип суперпозиции (наложения) волн. При распространении в линейной среде нескольких волн каждая из них распространяется так, как будто другие волны, отсутствуют, а результирующее смещение частицы среды в любой момент времени равно геометрической сумме смещений, которые получают частицы, участвуя в каждом из слагающих волновых процессов.

Линейная среда – среда, в которой одновременно распространяется несколько волн и ее свойства не изменяются под действием возмущений, создаваемых волнами. Например, если волны распространяются от двух источников, то они, доходя до какой-то точки, вызывают ее колебания независимо друг от друга.

Луч – линия, касательная к которой в каждой точке совпадает с направлением распространения волны. Если среда однородна и изотропна, то луч – прямая, перпендикулярная волновой поверхности и совпадающая с направлением переноса энергии волной.

Плоские волны – волны, для которых волновые поверхности – совокупность параллельных плоскостей, перпендикулярных направлению распространения волны. Лучи в данном случае – параллельные прямые, совпадающие с направлением скорости распространения волны (рис. 8.16).

Фронт волны

Рис. 8.17

Луч

Фронт волны

Рис. 8.17

Луч

Луч

Фронт воны

Рис. 8.16

Луч

Фронт воны

Рис. 8.16