Продольные и поперечные волны

ВВЕДЕНИЕ

Третья часть, заключительная («Оптика и атомная физика»), учебного пособия является логическим продолжением первой и второй части. В приложении даны единицы измерения и размерности физических величин в системе СИ.

Ряд явлений оптики объясняется с точки зрения волновой теории, ряд – с корпускулярной, так как свет одновременно обладает и корпускулярными, и волновыми свойствами. Двойственность природы света переносится и на элементарные частицы, что подтверждается экспериментальными данными.

Атомная физика рассматривает строение вещества. Большое число фактов показывает, что атомы, несомненно, представляют сложную электрическую систему. Дальнейшее изучение свойств самих атомных ядер позволило выявить их строение и процессы превращения, происходящие при естественной и искусственной радиоактивности.

УПРУГИЕ ВОЛНЫ

Волновые процессы

Продольные и поперечные волны

Колебания, возбужденные в к.-л. точке среды (твердой, жидкой или газообразной), распространяются в ней с конечной скоростью, зависящей от свойств среды, передаваясь от одной точки среды к другой. Чем дальше расположена частица среды от источника колебания, тем позднее она начнет колебаться. Иначе говоря, фазы колебаний частиц среды и источника тем больше отличаются друг от друга, чем больше это расстояние. При изучении распространения колебаний среда рассматривается как сплошная, т.е. непрерывно распределенная в пространстве и обладающая упругими свойствами.

Процесс распространения колебаний в сплошной среде называется волновым (или волной). При распространении волны частицы среды не движутся вместе с волной, а колеблются около своего положения равновесия. Вместе с волной от частицы к частице среды передаются лишь состояние колебательного движения и его энергия. Поэтому основным свойством всех волн, независимо от их природы, является перенос энергии без переноса вещества.

Среди разнообразных волн, встречающихся в природе и технике, выделяются следующие типы: волны на поверхности жидкости, упругие и электромагнитные волны.

Упругими (или механическими) волнами называются механические возмущения, распространяющиеся в упругой среде. Они бывают продольными и поперечными. В продольных частицы среды колеблются в направлении распространения волны, а поперечных - в плоскостях, перпендикулярных направлению распространения волны.

Продольные волны могут распространяться в средах, в которых возникают упругие силы при деформации сжатия и растяжения, т.е. в твердых, жидких или газообразных телах. Поперечные волны могут распространяться в среде, в которой возникают упругие силы при деформации сдвига, т.е. фактически только в твердых телах; в жидкостях и газах возникают только продольные волны, а в твердых телах - продольные и поперечные.

Упругая волна называется гармонической, если соответствующие ей колебания частиц среды являются гармоническими. На рис.1 представлена гармоническая поперечная волна, распространяющаяся со скоростью V вдоль оси Х, т. е. приведена зависимость между смещением x частиц среды, участвующих в волновом процессе, и расстоянием Х этих частиц (например, частицы В) от источника колебаний О для к.-л. фиксированного момента времени t. Хотя приведенный график функции x(х,t) похож на график гармонического колебания, но они различны по существу. График волны дает зависимость смещения всех частиц среды от расстояния до источника колебаний - смещения данной частицы от времени.

Рис. 1

Расстояние между ближайшими частицами, колеблющимися в одинаковой фазе, называется длиной волны l (рис.1). Она равна тому расстоянию, на которое распространяется определенная фаза колебаний за период, т.е.

l=VT

или, учитывая, что Т=1/n, где n - частота колебаний,

V=ln.

Если рассмотреть волновой процесс подробнее, то ясно, что колеблются не только частицы, расположенные вдоль оси х, а их совокупность, расположенная в некотором объеме, т.е. волна, распространяясь от источника колебаний, охватывает все новые и новые области пространства. Геометрическое место точек, до которых доходят колебания к моменту времени t, называется волновым фронтом. Для точек, колеблющихся в одинаковой фазе, оно называется волновой поверхностью. Волновых поверхностей можно провести бесчисленное множество, а волновой фронт в каждый момент времени один. Волновой фронт также является волновой поверхностью. В принципе волновые поверхности могут быть любой формы, а в простейшем случае они представляют собой совокупность плоскостей, параллельных друг другу, или совокупность концентрических сфер. Соответственно волна называется плоской или сферической.