Sự lan truyền dao động trong môi trường đàn hồi. Tóm tắt nội dung bài "Sự truyền dao động trong môi trường. Sóng. Đặc điểm của sóng"

Các thể rắn, lỏng, khí có kích thước lớn có thể coi là môi trường bao gồm các hạt riêng lẻ tương tác với nhau bằng lực liên kết. Sự kích thích dao động của các hạt của môi trường tại một nơi gây ra dao động cưỡng bức của các hạt lân cận, lần lượt kích thích các dao động tiếp theo, v.v.

Quá trình lan truyền của dao động trong không gian được gọi là sóng.

Hãy lấy một sợi dây cao su dài và buộc một đầu của sợi dây để thực hiện dao động cưỡng bức trên mặt phẳng thẳng đứng. Lực đàn hồi tác dụng giữa các bộ phận riêng lẻ của dây tóc sẽ dẫn đến sự truyền dao động dọc theo dây tóc, và ta sẽ thấy có sóng chạy dọc theo dây tóc.

Một ví dụ khác về sóng cơ học là sóng trên bề mặt nước.

Khi sóng truyền trong một sợi dây hoặc trên mặt nước, dao động xảy ra vuông góc với phương truyền sóng. Sóng trong đó dao động xảy ra vuông góc với phương truyền được gọi là sóng ngang.

Sóng dọc.

Không phải tất cả các sóng đều có thể được nhìn thấy. Sau khi dùng búa đập vào nhánh âm thoa, ta nghe thấy âm thanh, mặc dù không thấy sóng trong không khí. Cảm giác âm thanh trong cơ quan thính giác của chúng ta phát sinh từ sự thay đổi tuần hoàn của áp suất không khí. Dao động của nhánh âm thoa kèm theo sự nén tuần hoàn và sự hiếm không khí ở gần nó. Các quá trình nén và quá trình hiếm này lan truyền

trong không khí theo mọi hướng (Hình. 220). Chúng là sóng âm thanh.

Khi một sóng âm truyền, các hạt của môi trường dao động dọc theo phương truyền dao động. Sóng trong đó dao động xảy ra dọc theo phương truyền sóng được gọi là sóng dọc.

Sóng dọc có thể xảy ra trong chất khí, chất lỏng và chất rắn; sóng ngang truyền trong chất rắn, trong đó lực đàn hồi sinh ra trong quá trình biến dạng trượt hoặc dưới tác dụng của lực căng bề mặt và trọng lực.

Cả trong sóng ngang và sóng dọc, quá trình truyền sóng: dao động không kèm theo sự truyền vật chất theo phương truyền sóng. Tại mỗi điểm trong không gian, hạt chỉ dao động điều hòa về vị trí cân bằng. Nhưng sự lan truyền của dao động kèm theo sự truyền năng lượng của dao động từ điểm này sang điểm khác của môi trường.

Bước sóng.

Tốc độ truyền sóng. Tốc độ lan truyền của dao động trong không gian được gọi là tốc độ của sóng. Khoảng cách giữa các điểm gần nhau nhất, dao động cùng pha (Hình 221) được gọi là bước sóng. Mối quan hệ giữa bước sóng K, tốc độ sóng và chu kỳ dao động Г được cho bằng biểu thức

Vì tốc độ sóng liên quan đến tần số dao động bởi phương trình

Sự phụ thuộc của vận tốc truyền sóng vào tính chất của môi trường.

Khi sóng xảy ra, tần số của chúng được xác định bằng tần số dao động của nguồn sóng, và tốc độ phụ thuộc vào tính chất của môi trường. Do đó, các sóng có cùng tần số có độ dài khác nhau trên các phương tiện truyền thông khác nhau.

Chúng tôi xin giới thiệu đến các bạn một video bài học về chủ đề “Sự truyền dao động trong một môi trường đàn hồi. Sóng dọc và sóng ngang. Trong bài học này, chúng ta sẽ nghiên cứu các vấn đề liên quan đến sự truyền dao động trong môi trường đàn hồi. Bạn sẽ tìm hiểu sóng là gì, nó xuất hiện như thế nào, đặc điểm của nó như thế nào. Chúng ta hãy nghiên cứu các tính chất và sự khác biệt giữa sóng dọc và sóng ngang.

Chúng ta chuyển sang nghiên cứu các vấn đề liên quan đến sóng. Hãy nói về sóng là gì, nó xuất hiện như thế nào và đặc điểm của nó là gì. Hóa ra là ngoài một quá trình dao động trong một vùng không gian hẹp, người ta còn có thể truyền những dao động này trong một môi trường, và chính sự lan truyền đó là chuyển động của sóng.

Hãy chuyển sang thảo luận về sự phân phối này. Để thảo luận về khả năng tồn tại của dao động trong một môi trường, chúng ta phải định nghĩa môi trường đặc là gì. Môi trường đặc là môi trường bao gồm một số lượng lớn các hạt mà lực tương tác của chúng rất gần đàn hồi. Hãy tưởng tượng thí nghiệm suy nghĩ sau đây.

Cơm. 1. Thử nghiệm tư tưởng

Ta đặt một quả cầu trong môi trường đàn hồi. Quả bóng sẽ co lại, giảm kích thước và sau đó nở ra như một nhịp tim. Điều gì sẽ được quan sát trong trường hợp này? Trong trường hợp này, các hạt tiếp giáp với quả bóng này sẽ lặp lại chuyển động của nó, tức là di chuyển ra xa, tiếp cận - do đó chúng sẽ dao động. Vì các hạt này tương tác với các hạt khác ở xa quả bóng hơn, chúng cũng sẽ dao động, nhưng với độ trễ nhất định. Các hạt ở gần quả bóng này sẽ dao động. Chúng sẽ được truyền đến các hạt khác, xa hơn. Như vậy, dao động sẽ truyền theo mọi hướng. Lưu ý rằng trong trường hợp này, trạng thái dao động sẽ lan truyền. Sự lan truyền trạng thái dao động này được chúng ta gọi là sóng. Có thể nói rằng Quá trình truyền dao động trong môi trường đàn hồi theo thời gian gọi là sóng cơ.

Xin lưu ý: khi chúng ta nói về quá trình xảy ra các dao động như vậy, chúng ta phải nói rằng chúng chỉ có thể xảy ra nếu có sự tương tác giữa các hạt. Nói cách khác, sóng chỉ có thể tồn tại khi có một lực xáo trộn bên ngoài và các lực chống lại tác động của lực xáo trộn. Trong trường hợp này, đây là các lực đàn hồi. Quá trình lan truyền trong trường hợp này sẽ liên quan đến mật độ và cường độ tương tác giữa các hạt của môi trường này.

Hãy lưu ý một điều nữa. Sóng không mang theo vật chất. Sau cùng, các hạt dao động điều hòa gần vị trí cân bằng. Nhưng đồng thời, sóng mang năng lượng. Thực tế này có thể được minh họa bằng sóng thần. Vật chất không phải do sóng mang đi, nhưng sóng mang theo năng lượng như vậy sẽ mang đến những thảm họa lớn.

Hãy nói về các loại sóng. Có hai loại - sóng dọc và sóng ngang. Chuyện gì đã xảy ra Sóng dọc? Những sóng này có thể tồn tại trong tất cả các phương tiện truyền thông. Và ví dụ với một quả bóng dao động bên trong một môi trường đặc chỉ là một ví dụ về sự hình thành của sóng dọc. Sóng như vậy là một sự lan truyền trong không gian theo thời gian. Sự xen kẽ của sự nén chặt và sự hiếm hoi này là một làn sóng dọc. Tôi nhắc lại một lần nữa rằng một làn sóng như vậy có thể tồn tại trong tất cả các phương tiện - lỏng, rắn, khí. Sóng dọc là sóng, trong quá trình truyền sóng, các phần tử của môi trường dao động dọc theo phương truyền sóng.

Cơm. 2. Sóng dọc

Đối với sóng ngang, sóng ngang chỉ có thể tồn tại trong chất rắn và trên bề mặt chất lỏng. Sóng được gọi là sóng ngang, trong quá trình truyền sóng, các hạt của môi trường dao động vuông góc với phương truyền sóng.

Cơm. 3. Sóng biến dạng

Tốc độ lan truyền của sóng dọc và sóng ngang là khác nhau, nhưng đây là chủ đề của các bài học tiếp theo.

Danh sách tài liệu bổ sung:

Bạn có quen thuộc với khái niệm về một làn sóng? // Lượng tử. - 1985. - Số 6. - S. 32-33. Vật lý: Cơ học. Lớp 10: Proc. để nghiên cứu chuyên sâu về vật lý / M.M. Balashov, A.I. Gomonova, A.B. Dolitsky và những người khác; Ed. G.Ya. Myakishev. - M.: Bustard, 2002. Sách giáo khoa vật lý sơ cấp. Ed. G.S. Landsberg. T. 3. - M., 1974.

Cơm. 1. Thử nghiệm tư tưởng

Cơm. 2. Sóng dọc

Cơm. 3. Sóng biến dạng

Tốc độ lan truyền của sóng dọc và sóng ngang là khác nhau, nhưng đây là chủ đề của các bài học tiếp theo.

Danh sách tài liệu bổ sung:

Trang 1

Quá trình truyền dao động trong môi trường đàn hồi gọi là âm.

Quá trình lan truyền của dao động trong không gian được gọi là sóng. Ranh giới ngăn cách các hạt dao động với các hạt chưa bắt đầu dao động được gọi là mặt nước. Sự truyền sóng trong môi trường được đặc trưng bởi một tốc độ gọi là tốc độ của sóng siêu âm. Khoảng cách giữa các hạt gần nhất dao động cùng phương (cùng pha) gọi là bước sóng. Số sóng truyền qua một điểm nhất định trong 1 giây được gọi là tần số của sóng siêu âm.

Quá trình truyền dao động trong môi trường đàn hồi được gọi là chuyển động của sóng hay còn gọi là sóng đàn hồi.

Quá trình lan truyền của dao động trong không gian theo thời gian được gọi là sóng. Sóng lan truyền do tính chất đàn hồi của môi trường được gọi là đàn hồi. Sóng đàn hồi là sóng ngang và sóng dọc.

Quá trình truyền dao động trong môi trường đàn hồi gọi là sóng. Nếu hướng của dao động trùng với hướng truyền sóng, thì sóng như vậy được gọi là sóng dọc, ví dụ, sóng âm trong không khí. Nếu phương của dao động vuông góc với phương truyền sóng thì sóng như vậy được gọi là sóng ngang.

Quá trình lan truyền của dao động trong không gian được gọi là quá trình sóng.

Quá trình lan truyền của dao động trong không gian được gọi là sóng.

Quá trình truyền dao động của hạt trong môi trường đàn hồi được gọi là quá trình sóng hay đơn giản là sóng.

Các quá trình truyền dao động của các phần tử chất lỏng hoặc khí trong một đường ống rất phức tạp do ảnh hưởng của các bức tường của nó. Phản xạ xiên dọc theo thành ống tạo điều kiện hình thành dao động hướng tâm. Khi đặt ra nhiệm vụ nghiên cứu dao động dọc trục của các phần tử chất lỏng hoặc khí trong các đường ống hẹp, chúng ta phải tính đến một số điều kiện mà các dao động hướng tâm có thể được bỏ qua.

Sóng là quá trình truyền dao động trong một môi trường. Mỗi hạt của môi trường dao động điều hòa quanh vị trí cân bằng.

Sóng là quá trình lan truyền dao động.

Quá trình truyền dao động trong một môi trường đàn hồi được chúng ta coi là một ví dụ về chuyển động của sóng, hay như người ta thường nói, sóng. Vì vậy, chẳng hạn, hóa ra sóng điện từ (xem § 3.1) không chỉ có thể lan truyền trong vật chất mà còn lan truyền trong chân không. Cái gọi là sóng hấp dẫn (sóng trọng lực) có cùng một tính chất, với sự trợ giúp của nhiễu động trường hấp dẫn của các vật thể được truyền đi, do sự thay đổi khối lượng của các vật thể này hoặc vị trí của chúng trong không gian. Do đó, trong vật lý, sóng là bất kỳ nhiễu loạn nào của trạng thái vật chất hoặc trường lan truyền trong không gian. Vì vậy, ví dụ, sóng âm thanh trong chất khí hoặc chất lỏng là dao động áp suất lan truyền trong các phương tiện này, và sóng điện từ là dao động về cường độ E và H của trường điện từ lan truyền trong không gian.

Hãy bắt đầu với định nghĩa của môi trường đàn hồi. Như tên của nó, một phương tiện đàn hồi là một phương tiện mà trong đó lực đàn hồi tác dụng. Liên quan đến mục tiêu của chúng tôi, chúng tôi nói thêm rằng với bất kỳ sự xáo trộn nào của môi trường này (không phải là một phản ứng bạo lực về cảm xúc, mà là sự sai lệch của các thông số của môi trường ở một số nơi so với trạng thái cân bằng), các lực lượng xuất hiện trong đó, cố gắng trả lại môi trường của chúng ta trạng thái cân bằng ban đầu. Khi làm như vậy, chúng tôi sẽ xem xét các phương tiện truyền thông mở rộng. Chúng tôi sẽ xác định thời gian này là bao lâu trong tương lai, nhưng hiện tại chúng tôi sẽ cân nhắc rằng điều này là đủ. Ví dụ, hãy tưởng tượng một lò xo dài được cố định ở cả hai đầu. Nếu một số cuộn dây bị nén ở một chỗ nào đó của lò xo, thì các cuộn dây bị nén sẽ có xu hướng nở ra, và các cuộn dây lân cận, hóa ra bị kéo căng, sẽ có xu hướng nén lại. Do đó, phương tiện đàn hồi của chúng ta - lò xo sẽ cố gắng trở lại trạng thái bình tĩnh (không bị xáo trộn) ban đầu.

Chất khí, chất lỏng, chất rắn là môi trường đàn hồi. Điều quan trọng trong ví dụ trước là phần bị nén của lò xo tác động lên các phần lân cận, hay nói một cách khoa học là truyền nhiễu. Tương tự, trong một chất khí, việc tạo ra ở một số nơi, ví dụ, một khu vực có áp suất thấp, các khu vực lân cận, cố gắng cân bằng áp suất, sẽ truyền nhiễu loạn cho các nước láng giềng của họ, đến lượt họ, đến của họ, v.v. .

Vài lời về các đại lượng vật lý. Trong nhiệt động lực học, như một quy luật, trạng thái của một cơ thể được xác định bởi các thông số chung cho toàn bộ cơ thể, áp suất khí, nhiệt độ và mật độ của nó. Bây giờ chúng ta sẽ quan tâm đến sự phân bố cục bộ của những số lượng này.

Nếu một vật dao động (dây, màng, v.v.) ở trong môi trường đàn hồi (như chúng ta đã biết, là một môi trường đàn hồi), thì nó đặt các phần tử của môi trường tiếp xúc với nó thành chuyển động dao động. Kết quả là, các biến dạng tuần hoàn (ví dụ, nén và hiếm) xảy ra trong các phần tử của môi trường tiếp giáp với cơ thể. Dưới sự biến dạng này, lực đàn hồi xuất hiện trong môi trường, có xu hướng đưa các phần tử của môi trường trở về trạng thái cân bằng ban đầu; do tương tác của các phần tử lân cận của môi trường, các biến dạng đàn hồi sẽ được chuyển từ một số phần của môi trường sang phần khác, xa hơn so với vật dao động.

Do đó, các biến dạng tuần hoàn gây ra ở một nơi nào đó của môi trường đàn hồi sẽ lan truyền trong môi trường với một tốc độ nhất định, tùy thuộc vào tính chất vật lý của nó. Trong trường hợp này, các hạt của môi trường thực hiện dao động điều hòa quanh các vị trí cân bằng; chỉ có trạng thái biến dạng được truyền từ mặt cắt này sang mặt cắt khác.

Khi cá “mổ” (kéo lưỡi câu), các vòng tròn phân tán từ phao nổi trên mặt nước. Cùng với phao, các hạt nước tiếp xúc với nó bị dịch chuyển, kéo theo các hạt khác gần chúng nhất, v.v.

Hiện tượng tương tự cũng xảy ra với các phần tử của một sợi dây cao su bị kéo căng, nếu một đầu của nó được đưa vào dao động (Hình 1.1).

Sự lan truyền của dao động trong một môi trường được gọi là chuyển động của sóng, chúng ta hãy xem xét chi tiết hơn làm thế nào một sóng phát sinh trên một sợi dây. Nếu chúng ta cố định vị trí của dây sau mỗi 1/4 T (T là chu kỳ mà kim dao động trong Hình 1.1) sau khi bắt đầu dao động của điểm đầu tiên của nó, thì ta được hình như trong Hình. 1.2, bd. Vị trí a tương ứng với thời điểm bắt đầu dao động của điểm đầu tiên của sợi dây. Mười điểm của nó được đánh dấu bằng các con số, và các đường chấm cho biết vị trí của các điểm giống nhau của dây tại các điểm khác nhau trong thời gian.

Sau 1/4 T kể từ khi bắt đầu dao động, điểm 1 chiếm vị trí cao nhất, điểm 2 mới bắt đầu chuyển động. Vì mỗi điểm tiếp theo của dây bắt đầu chuyển động của nó muộn hơn điểm trước đó, nên trong khoảng thời gian đó sẽ có 1-2 điểm được định vị, như thể hiện trong Hình. 1.2, b. Sau 1/4 T nữa, điểm 1 sẽ ở vị trí cân bằng và chuyển động đi xuống, và điểm 2 sẽ ở vị trí trên (vị trí c). Điểm 3 tại thời điểm này mới bắt đầu di chuyển.

Trong khoảng thời gian toàn phần, dao động truyền đến điểm 5 của dây (vị trí e). Vào cuối chu kỳ T, chất điểm 1 chuyển động đi lên sẽ bắt đầu dao động thứ hai. Đồng thời, điểm 5 cũng sẽ bắt đầu đi lên, tạo ra dao động đầu tiên của nó. Trong tương lai, các điểm này sẽ có các pha dao động giống nhau. Tập hợp các điểm trên dây trong khoảng 1-5 tạo thành sóng. Khi điểm 1 hoàn thành dao động thứ hai, điểm 5-10 sẽ tham gia vào chuyển động trên dây, tức là sóng thứ hai được hình thành.

Nếu bạn theo dõi vị trí của các điểm có cùng pha, bạn sẽ thấy rằng pha, như cũ, đi từ điểm này sang điểm khác và di chuyển sang phải. Thật vậy, nếu điểm 1 có pha 1/4 ở vị trí b, thì điểm 2 có pha 1/4 ở vị trí b, v.v.

Sóng trong đó pha chuyển động với một tốc độ nhất định được gọi là sóng truyền. Khi quan sát sóng, chính xác là sự lan truyền của pha có thể nhìn thấy được, ví dụ, sự chuyển động của đỉnh sóng. Chú ý rằng tất cả các điểm trên phương truyền sóng đều dao động quanh vị trí cân bằng của chúng và không chuyển động cùng pha.

Quá trình truyền của chuyển động dao động trong môi trường được gọi là quá trình sóng hay đơn giản là sóng..

Tùy thuộc vào bản chất của các biến dạng đàn hồi sinh ra, các sóng được phân biệt theo chiều dọc Và ngang. Trong sóng dọc, các phần tử của môi trường dao động dọc theo một đường trùng với phương truyền dao động. Trong sóng ngang, các hạt của môi trường dao động vuông góc với phương truyền sóng. Trên hình. 1.3 cho biết vị trí của các phần tử của môi trường (được mô tả có điều kiện là dấu gạch ngang) trong sóng dọc (a) và sóng ngang (b).

Môi trường lỏng và khí không có tính đàn hồi cắt và do đó chỉ có sóng dọc được kích thích trong chúng, lan truyền dưới dạng nén xen kẽ và hiếm khi hóa môi trường. Các sóng kích thích trên bề mặt của lò sưởi là sóng ngang: chúng chịu sự tồn tại của lực hấp dẫn của trái đất. Trong chất rắn, có thể tạo ra cả sóng dọc và sóng ngang; một loại ý chí ngang cụ thể là xoắn, được kích thích trong thanh đàn hồi, mà dao động xoắn được áp dụng.

Giả sử rằng nguồn sóng bắt đầu kích thích dao động trong môi trường tại thời điểm t= 0; sau khoảng thời gian t dao động này sẽ lan truyền theo các hướng khác nhau trong một khoảng cách r tôi =c tôi t, ở đâu với tôi là tốc độ của sóng trên phương đó.

Bề mặt mà dao động đạt tới tại một thời điểm nào đó được gọi là mặt sóng.

Rõ ràng là mặt trước sóng (wave front) chuyển động theo thời gian trong không gian.

Hình dạng của mặt sóng được xác định bởi cấu hình của nguồn dao động và tính chất của môi trường. Trong môi trường đồng chất, tốc độ truyền sóng ở mọi nơi như nhau. Thứ tư được gọi là đẳng hướng nếu tốc độ như nhau ở tất cả các hướng. Mặt trận sóng từ một nguồn điểm dao động trong môi trường đồng chất và đẳng hướng có dạng mặt cầu; những làn sóng như vậy được gọi là hình cầu.

Trong một không đồng nhất và không đẳng hướng ( bất đẳng hướng) môi trường, cũng như từ các nguồn dao động không phải là điểm, mặt trước sóng có hình dạng phức tạp. Nếu mặt trước sóng là một mặt phẳng và hình dạng này được duy trì khi dao động lan truyền trong môi trường thì sóng được gọi là bằng phẳng. Các phần nhỏ của mặt trước sóng của một hình dạng phức tạp có thể được coi là sóng phẳng (nếu chúng ta chỉ xem xét những khoảng cách nhỏ mà sóng này truyền đi).

Khi mô tả các quá trình sóng, các bề mặt được phân biệt trong đó tất cả các hạt dao động trong cùng một pha; những "bề mặt của cùng một pha" được gọi là sóng, hoặc pha.

Rõ ràng là mặt trước sóng là mặt sóng phía trước, tức là xa nhất so với nguồn tạo ra sóng và bề mặt sóng cũng có thể là hình cầu, phẳng hoặc có hình dạng phức tạp, tùy thuộc vào cấu hình của nguồn dao động và tính chất của môi trường. Trên hình. 1.4 thể hiện có điều kiện: I - sóng cầu từ nguồn điểm, II - sóng từ đĩa dao động, III - sóng elip từ nguồn điểm trong môi trường dị hướng, trong đó vận tốc truyền sóng từ thay đổi thuận lợi khi góc α tăng, đạt cực đại dọc theo phương AA và cực tiểu dọc theo phương BB.