Что называется скоростью и длиной волны. Длина волны

Рассмотрим более подробно процесс передачи колебаний от точки к точке при распространении поперечной волны. Для этого обратимся к рисунку 72, на котором показаны различные стадии процесса распространения поперечной волны через промежутки времени, равные ¼Т.

На рисунке 72, а изображена цепочка пронумерованных шариков. Это модель: шарики символизируют частицы среды. Будем считать, что между шариками, как и между частицами среды, существуют силы взаимодействия, в частности при небольшом удалении шариков друг от друга возникает сила притяжения.

Рис. 72. Схема процесса распространения в пространстве поперечной волны

Если привести первый шарик в колебательное движение, т. е. заставить его двигаться вверх и вниз от положения равновесия, то благодаря силам взаимодействия каждый шарик в цепочке будет повторять движение первого, но с некоторым запаздыванием (сдвигом фаз). Это запаздывание будет тем больше, чем дальше от первого шарика находится данный шарик. Так, например, видно, что четвёртый шарик отстаёт от первого на 1/4 колебания (рис. 72, б). Ведь когда первый шарик прошёл 1/4 часть пути полного колебания, максимально отклонившись вверх, четвёртый шарик только начинает движение из положения равновесия. Движение седьмого шарика отстаёт от движения первого на 1/2 колебания (рис. 72, в), десятого - на 3/4 колебания (рис. 72, г). Тринадцатый шарик отстаёт от первого на одно полное колебание (рис. 72, д), т. е. находится с ним в одинаковых фазах. Движения этих двух шариков совершенно одинаковы (рис. 72, е).

• Расстояние между ближайшими друг к другу точками, колеблющимися в одинаковых фазах, называется длиной волны

Длина волны обозначается греческой буквой λ («ламбда»). Расстояние между первым и тринадцатым шариками (см. рис. 72, е), вторым и четырнадцатым, третьим и пятнадцатым и так далее, т. е. между всеми ближайшими друг к другу шариками, колеблющимися в одинаковых фазах, будет равно длине волны λ.

Из рисунка 72 видно, что колебательный процесс распространился от первого шарика до тринадцатого, т. е. на расстояние, равное длине волны λ, за то же время, за которое первый шарик совершил одно полное колебание, т. е. за период колебаний Т.

где λ - скорость волны.

Поскольку период колебаний связан с их частотой зависимостью Т = 1/ν , то длина волны может быть выражена через скорость волны и частоту:

Таким образом, длина волны зависит от частоты (или периода) колебаний источника, порождающего эту волну, и от скорости распространения волны.

Из формул для определения длины волны можно выразить скорость волны:

V = λ/T и V = λν.

Формулы для нахождения скорости волны справедливы как для поперечных, так и для продольных волн. Длину волны X, при распространении продольных волн можно представить с помощью рисунка 73. На нём изображена (в разрезе) труба с поршнем. Поршень совершает колебания с небольшой амплитудой вдоль трубы. Его движения передаются прилегающим к нему слоям воздуха, заполняющего трубу. Колебательный процесс постепенно распространяется вправо, образуя в воздухе разрежения и сгущения. На рисунке даны примеры двух отрезков, соответствующих длине волны λ. Очевидно, что точки 1 и 2 являются ближайшими друг к другу точками, колеблющимися в одинаковых фазах. То же самое можно сказать про точки 3 и 4.

Рис. 73. Образование продольной волны в трубе при периодическом сжатии и разрежении воздуха поршнем

Вопросы

1. Что называется длиной волны?
2. За какое время колебательный процесс распространяется на расстояние, равное длине волны?
3. По каким формулам можно рассчитать длину волны и скорость распространения поперечных и продольных волн?
4. Расстояние между какими точками равно длине волны, изображённой на рисунке 73?

Упражнение 27

1. С какой скоростью распространяется волна в океане, если длина волны равна 270 м, а период колебаний равен 13,5 с?
2. Определите длину волны при частоте 200 Гц, если скорость распространения волны равна 340 м/с.
3. Лодка качается на волнах, распространяющихся со скоростью 1,5 м/с. Расстояние между двумя ближайшими гребнями волн равно 6 м. Определите период колебаний лодки.

Под скоростью волны понимают ско-рость распространения возмущения. Например, удар по торцу стального стержня вызывает в нем местное сжатие, которое затем распространяется вдоль стержня со скоростью около 5 км/с .

Скорость волны определяется свойствами среды, в которой эта волна распространяется. При переходе волны из одной среды в другую ее скорость изменяется.

Длиной волны называется расстояние, на которое распространяется волна за время, равное периоду колебаний в ней.

Поскольку скорость волны — величина постоянная (для данной среды), то пройденное волной расстояние равно произведению скорости на время ее распространения. Таким образом, чтобы найти длину волны, надо скорость волны умножить на период колебаний в ней:

где v — скорость волны, Т — период колебаний в волне, λ (греческая буква лямбда) — длина волны.

Формула выражает связь длины волны с ее скоростью и периодом. Учитывая, что пери-од колебаний в волне обратно пропорционален частоте v , т. е. Т = 1/ v , можно получить формулу, выражающую связь длины волны с ее скоростью и частотой:

,

откуда

Полученная формула показывает, что скорость волны равна произведению длины волны на частоту колебаний в ней.

Длина волны — это пространственный период волны. На графике волны (рис. выше) длина волны определяется как расстояние между двумя ближайшими точками гармонической бегущей волны , находящимися в одинаковой фазе колебаний. Это как бы мгновенные фотогра-фии волн в колеблющейся упругой среде в моменты времени t и t + Δt . Ось х совпадает с направле-нием распространения волны, на оси ординат отложены смещения s колеблющихся частиц среды.

Частота колебаний в волне совпадает с частотой колебаний источника, т. к. колебания час-тиц в среде являются вынужденными и не зависят от свойств среды, в которой распространяется волна. При переходе волны из одной среды в другую ее частота не изменяется, меняются лишь скорость и длина волны.

Длину волны можно также определить:

• как расстояние, измеренное в направлении распространения волны, между двумя точками в пространстве, в которых фаза колебательного процесса отличается на 2π;
• как путь, который проходит фронт волны за интервал времени, равный периоду колебательного процесса;
• как пространственный период волнового процесса.

Представим себе волны, возникающие в воде от равномерно колеблющегося поплавка, и мысленно остановим время. Тогда длина волны - это расстояние между двумя соседними гребнями волны, измеренное в радиальном направлении. Длина волны - одна из основных характеристик волны наряду с частотой , амплитудой , начальной фазой, направлением распространения и поляризацией . Для обозначения длины волны принято использовать греческую букву λ {\displaystyle \lambda } , размерность длины волны - метр.

Как правило, длина волны используется применительно к гармоническому или квазигармоническому (например, затухающему или узкополосному модулированному) волновому процессу в однородной, квазиоднородной или локально однородной среде. Однако формально длину волны можно определить по аналогии и для волнового процесса с негармонической, но периодической пространственно-временной зависимостью, содержащей в спектре набор гармоник. Тогда длина волны будет совпадать с длиной волны основной (наиболее низкочастотной, фундаментальной) гармоники спектра.

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

Амплитуда, период, частота и длина волны периодических волн

Звуковые колебания - Длина волны

5.7 Длина волны. Скорость волны

Урок 370. Фазовая скорость волны. Скорость поперечной волны в струне

Урок 369. Механические волны. Математическое описание бегущей волны

Субтитры

В прошлом видео мы обсуждали, что произойдёт, если взять, скажем, верёвку, дёрнуть за левый конец – это, конечно, может быть и правый конец, но пусть будет левый - итак, дёрнуть вверх, а потом вниз и затем назад, в исходное положение. Мы передаём верёвке некое возмущение. Это возмущение может выглядеть примерно так, если я дёрну верёвку вверх и вниз один раз. Возмущение будет передаваться по верёвке приблизительно таким образом. Закрасим чёрным цветом. Cразу после первого цикла – рывка вверх и вниз - верёвка будет выглядеть примерно так. Но если немного подождать, она приобретёт примерно такой вид, учитывая, что мы дёрнули один раз. Импульс передаётся дальше по верёвке. В прошлом видео мы определили это возмущение, передающееся по верёвке или в данной среде, хотя среда не обязательное условие. Мы назвали его волной. И, в частности, данная волна - это импульс. Это импульсная волна, потому что здесь в сущности было только одно возмущение верёвки. Но если мы продолжим периодически дёргать верёвку вверх и вниз с регулярными интервалами, то она будет выглядеть примерно, примерно так. Я постараюсь изобразить как можно аккуратнее. Она будет выглядеть вот так, и колебания, или возмущения, будут передаваться вправо. Они будут передаваться вправо с некой скоростью. И в этом видео я хочу рассмотреть именно волны такого типа. Представьте, что я периодически дёргаю левый конец верёвки вверх и вниз, вверх и вниз, создавая периодические колебания. Мы назовем периодическими волнами. Это периодическая волна. Движение повторяется снова и снова. Сейчас я хотел бы обсудить некоторые свойства периодической волны. Во-первых, можно заметить, что при движении верёвка поднимается и опускается на некоторое расстояние от первоначального положения, вот оно. Насколько удалены высшая и низшая точки от начального положения? Это называется амплитуда волны. Это расстояние (выделю его пурпурным цветом) - это расстояние называется амплитуда. Моряки иногда говорят о высоте волны. Под высотой обычно подразумевается расстояние от подошвы волны до её гребня. Мы говорим об амплитуде, или расстоянии от изначального, равновесного положения до максимума. Обозначим максимум. Это высшая точка. Высшая точка волны, или ее вершина. А это подошва. Если бы вы сидели в лодке, вас бы интересовала высота волны, все расстояние от вашей лодки до высшей точки волны. Ладно, не будем удаляться от темы. Вот что интересно. Далеко не все волны создаются мной, дёргающим левый конец верёвки. Но, думаю, вы поняли, что эта схема может демонстрировать множество разных типов волн. И это по сути отклонение от средней, или нулевой, позиции, амплитуда. Возникает вопрос. Ясно, как далеко отклоняется верёвка от средней позиции, но как часто это происходит? Сколько нужно времени, чтобы веревка поднялась, опустилась и вернулась назад? Как долго продолжается каждый цикл? Цикл – это движение вверх, вниз и на изначальную точку. Сколько длится каждый цикл? Можно сказать, какова продолжительность каждого периода? Мы сказали, что это периодическая волна. Период – это повторение волны. Продолжительность одного полного цикла называется периодом. И период измеряется временем. Может быть, я дёргаю верёвку каждые две секунды. Чтобы она поднялась, опустилась и вернулась к середине, нужно две секунды. Период – это две секунды. И другая близкая характеристика – сколько циклов в секунду я делаю? Другими словами, сколько секунд приходится на каждый цикл? Давайте это запишем. Сколько циклов в секунду я произвожу? То есть, сколько секунд приходится на каждый цикл? Сколько секунд приходится на каждый цикл? Так что период, например, может составлять 5 секунд на один цикл. Или, возможно, 2 секунды. Но сколько циклов происходит в секунду? Зададим противоположный вопрос. Не сколько секунд занимает подъём вверх, спуск вниз и возврат к середине. А сколько в каждую секунду умещается циклов спуска, подъёма и возврата? Сколько циклов происходит в секунду? Это свойство, противоположное периоду. Период обычно обозначается прописным Т. Это частота. Запишем. Частота. Она обычно обозначается строчным f. Она характеризует число колебаний в секунду. Так что, если полный цикл занимает 5 секунд, это значит, что в секунду у нас будет происходить 1/5 цикла. Я просто перевернул вот это соотношение. Это вполне логично. Потому что период и частота – обратные друг другу характеристики. Это – сколько секунд в цикле? Сколько времени нужно на подъём, спуск и возврат? А это – сколько спусков, подъёмов и возвратов в одной секунде? Так что они обратны друг другу. Можно сказать, что частота равна отношению единицы к периоду. Или период равен отношению единицы к частоте. Так, если верёвка вибрирует с частотой, скажем, 10 циклов в секунду… И, кстати, единица измерения частоты - это герц, так что запишем это как 10 герц. Вы, наверное уже слышали нечто подобное. 10 Гц означает просто 10 циклов в секунду. Если частота - это 10 циклов в секунду, то период равен ее отношению к единице. Делим 1 на 10 секунд, что вполне логично. Если верёвка может 10 раз за секунду подняться, опуститься, и вернуться в нейтральное положение, значит за 1/10 секунды она сделает это один раз. Ещё нас интересует, как быстро волна распространяется в данном случае вправо? Если я тяну за левый конец верёвки, как быстро она двигается вправо? Это скорость. Чтобы узнать это, нам нужно вычислить, какое расстояние волна проходит за один цикл. Или за один период. После того как я дернул один раз, как далеко уйдёт волна? Каково расстояние от этой точки на нейтральном уровне до этой точки? Это называется длина волны. Длина волны. Ее можно определить множеством способов. Можно сказать, что длина волны – это расстояние, которое проходит начальный импульс за один цикл. Или что это расстояние от одной высшей точки до другой. Это тоже длина волны. Или расстояние от одной подошвы до другой подошвы. Это тоже длина волны. Но в общем длина волны – это расстояние между двумя одинаковыми точками волны. От этой точки до этой. Это тоже длина волны. Это расстояние между началом одного полного цикла и его завершением в точно такой же точке. При этом, когда я говорю про одинаковые точки, эта точка не считается. Потому что в данной точке, хотя она в той же позиции, волна опускается. А нам нужна точка, где волна находится в той же самой фазе. Посмотрите, здесь идет движение вверх. Так что нам нужна фаза подъёма. Это расстояние – не длина волны. Чтобы пройти одну длину, нужно пройти в ту же самую фазу. Нужно, чтобы движение было в том же направлении. Вот это тоже длина волны. Итак, если мы знаем, какое расстояние волна проходит за один период… Давайте запишем: длина волны равна расстоянию, которое проходит волна за один период. Длина волны равна расстоянию, которое проходит волна за один период. Или, можно сказать, за один цикл. Это одно и то же. Потому что период – это время, за которое волна завершает один цикл. Один подъём, спуск и возврат к нулевой точке. Так что, если мы знаем расстояние и время, за которое волна его проходит, то есть период, как мы можем вычислить скорость? Скорость равна отношению расстояния ко времени движения. Скорость - это отношение расстояния ко времени движения. И для волны скорость можно было бы обозначить как вектор, но это, я думаю, и так понятно. Итак, скорость отражает то, какое расстояние волна проходит за период? А само расстояние – это длина волны. Волновой импульс пройдёт ровно столько. Такой будет длина волны. Итак, мы проходим это расстояние, и сколько времени это занимает? Это расстояние проходится за период. То есть, это длина волны, делённая на период. Длина волны, делённая на период. Но мы уже знаем, что отношение единицы к периоду - это то же самое, что и частота. Так что можно записать это как длину волны… И, кстати, важный момент. Длина волны обычно обозначается греческой буквой лямбда. Так что, можно сказать, скорость равна длине волны, делённой на период. Что равно длине волны, умноженной на единицу, делённую на период. Мы только что выяснили, что отношение единицы к периоду - это то же самое, что частота. Так что скорость равна произведению длины волны и частоты. Таким образом, вы решите все основные задачи, с которыми можно столкнуться в теме волн. Например, если нам дано, что скорость, равна 100 метров в секунду и направлена вправо… Сделаем такое предположение. Скорость - это вектор, и нужно указывать её направление. Пусть частота будет равна, скажем, 20 циклов в секунду, это то же самое, что 20 Гц. Итак, еще раз, частота будет равна 20 циклов в секунду или 20 Гц. Представьте, что вы смотрите в маленькое окно и видите только эту часть волны, только эту часть моей верёвки. Если вы знаете про 20 Гц, то вы знаете, что за 1 секунду вы увидите 20 спусков и подъёмов. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13... За 1 секунду вы увидите, что волна поднимется и опустится 20 раз. Вот что значит частота в 20 Гц, или 20 циклов в секунду. Итак, нам дана скорость, дана частота. Какова будет длина волны? В этом случае, она будет равна… Вернёмся к скорости: скорость равна произведению длины волны и частоты, правда? Разделим обе части на 20. Кстати, давайте проверим единицы измерения: это метры в секунду. Получится: λ умножить на 20 циклов в секунду. λ умножить на 20 циклов в секунду. Если мы разделим обе части на 20 циклов в секунду, то получим 100 метров в секунду умножить на 1/20 секунды за цикл. Тут остается 5. Тут 1. Получаем 5, секунды сокращаются. И мы получаем 5 метров в цикл. 5 метров за цикл в данном случае и будет длиной волны. 5 метров в цикл. Замечательно. Можно было бы сказать, что это 5 метров за цикл, но длина волны предполагает, что имеется в виду расстояние, пройденное за цикл. В этом случае, если волна распространяется вправо со скоростью 100 метров в секунду, и это частота (мы видим, что волна колеблется вверх-вниз 20 раз в секунду), то это расстояние, должно равняться 5 метрам. Точно так же можно вычислить период. Период равен отношению единицы к частоте. Он равен 1/20 секунды за цикл. 1/20 секунды за цикл. Я не хочу, чтобы вы запоминали формулы, я хочу, чтобы вы поняли их логику. Надеюсь, это видео вам помогло. Используя формулы, вы можете ответить почти на любой вопрос, если есть 2 переменные и нужно вычислить третью. Надеюсь, это окажется полезным для вас. Subtitles by the Amara.org community

Длина волны - пространственный период волнового процесса

Длина волны в среде

В оптически более плотной среде (слой выделен темным цветом) длина электромагнитной волны сокращается. Синяя линия - распределение мгновенного (t = const) значения напряженности поля волны вдоль направления распространения. Изменение амплитуды напряженности поля, обусловленное отражением от границ раздела и интерференцией падающей и отраженных волн, на рисунке условно не показано.

Вспомним, что при распространении колебаний в среде происходит перемещение фазы (§ 24.13). Скорость распространения колебаний в упругой среде называют фазовой скоростью волны. как фазовая скорость в изотропной среде постоянна, то ее можно найти, разделив перемещение фазы волны на время, за которое оно произошло. Поскольку за время Т фаза волны перемещается на расстояние X, то

Так как имеем

Установлено, что фазовая скорость определяется только физическими свойствами среды и ее состоянием. Поэтому механические волны с разной частотой колебаний в заданной среде распространяются с одинаковой скоростью (заметим, что это верно только при не очень большом различии в частоте колебаний).

Таким образом, определенной частоте колебаний в заданной среде соответствует единственное значение длины волны А.. При этом, как видно из формулы (24.23), большей частоте соответствуют более короткие волны в среде. Это дает возможность характеризовать волны в среде не частотой (периодом) колебаний частиц в них, а длиной волны X. Здесь нужно помнить, что при переходе волны из одной среды в другую частота и период колебаний Т частиц в ней остаются постоянными, адлина волны X изменяется пропорционально изменению скорости V. Итак, характеризовать волны их длиной можно только тогда, когда все сравниваемые волны распространяются в одной и той же среде.

Колебания T точка с постоянной пройдет определенное расстояние. Это расстояние можно длиной волны. Длина волны буквой? и равна? = vT, где v - ее фазовая скорость. Фазовую скорость волны также можно выразить через ее волновое число k: v = w/k. Длина волны через волновое число выражается как? = 2*pi/k.

Период волны можно записать через ее частоту как T = 1/f. Тогда? = v/f.Можно выразить длину волны и через круговую частоту. По определению круговая частота равна f = w/(2*pi). Отсюда, ? = 2*pi*v/w.

Согласно корпускулярно-волновому дуализму, с любой микрочастицей также связана волна, называемая волной де Бройля. Волны де Бройля присущи электронам протонам, нейтронам и другим микрочастицам. Эта волна имеет определенную длину. Установлено, что длина волны де Бройля обратно пропорционально импульсу частицы и равна? = h/p, где h - постоянная Планка. Частота волны прямо пропорциональна энергии частицы: ? = E/h. Фазовая скорость волны де Бройля будет равна E/p

В диспергирующих средах вводят понятие групповой скорости. Для одномерных волн она равна Vgr = dw/dk, где w - круговая частота, а k - волновое число.

Видео по теме

Волны бывают разные. Иногда требуется измерить амплитуду и длину волны прибоя на побережье, а иногда – частоту и напряжение волны электрического сигнала. Для каждого случая есть свои способы получения параметров волн.

Вам понадобится

• футшток, секундомер, электронный манометр, генератор стандартных сигналов, осциллограф, частотомер.

Инструкция

Для определения высоты волны вблизи берега на мелководье воткните в дно футшток. Заметьте деления на футштоке, совпадающие с верхним и нижним (гребень и ) уровнями проходящей мимо него волны. Отнимите от большего значения меньшее значение и получите величину высоты волны. Для более точного измерения воспользуйтесь электронным манометром. Расположите его датчик на том месте, где желаете измерить высоту волны. Засеките показания прибора во время прохождения над датчиком гребня и волны. Отнимите от большего значения меньшее значение и получите величину перепада давлений, соответствующую высоте волны.

Для движения волны засеките секундомером время между прохождением над датчиком или футштоком двух соседних гребней волны. С помощью двух футштоков определите . Для этого расположите их таким образом, чтобы вершины двух соседних волн проходили мимо футштоков одновременно. Затем измерьте расстояние между футштоками (в метрах). Оно будет равно длине волны. Разделите 60 на измеренное секундомером время и умножьте на длину волны. Получите скорость движения волны (в метрах в минуту). Пример: время прохождения волны составляет 2 секунды, а длина 3,5 метрам. В таком случае скорость движения волны будет составлять (60/2)×3,5=105 метров в минуту.

Для пересчета в метры в секунду разделите данный результат на 60 (105/60=1,75 метров в секунду), а для пересчета в километры в час умножьте на 60 с последующим делением на тысячу (105×60=6300 метров в час, 6300/1000=6,3 километров в час).

Для определения параметров электрического сигнала воспользуйтесь специальными приборами. Подключите генератор стандартных сигналов к осциллографу. Установите в генераторе амплитуду выходного сигнала в 1 Вольт. Включите осциллограф и отрегулируйте его чувствительность таким образом, чтобы верхний уровень сигнала совпадал с первой широкой полосой по вертикали на сетке экрана. Отключите генератор и подключите источник исследуемого сигнала. Подсчитайте по вертикальным широким полосам амплитуду входного сигнала.

Подключите источник исследуемого сигнала к входу частотомера. Снимите показания частоты с индикатора частотомера. Для получения длины волны разделите скорость света на частоту изучаемого сигнала. Пример: замеренная частота составляет 100 мГц, длина волны равна 299792458/100000000=2,99 метра.

Механическая волна – процесс распространения колебаний в упругой среде, сопровождаемый передачей энергии колеблющегося тела от одной точки в упругой среде к другой. Важные характеристики волны: длина и фазовая скорость.

Вам понадобится

• - калькулятор.