Макеты страниц ВОЛНЫКогда произносят слово «волна», обычно представляют себе какое-то движение. Если бросить камень в воду, то по поверхности воды побежит волна (рис. 1). Однако при распространении волны частички воды остаются на месте и совершают лишь колебательное движение (в этом легко убедиться, наблюдая, например, за веткой, плавающей на поверхности воды). Волной называют распространение в пространстве изменения состояния. Изменение состояния в физике означает изменение значения какой-либо физической величины. Например, при распространении звуковых волн в каждой точке пространства изменяются с течением времени деформация (происходит сжатие — разрежение), в случае электромагнитной волны — значения напряженности электрического и магнитного полей, тепловой волны — температуры и т. д. Если изменение величины со временем в каждой точке пространства происходит по гармоническому закону (см. Колебания):
то говорят, что распространяется монохроматическая волна частоты Колебания в каждой следующей точке повторяют колебания в предыдущей точке, но со сдвигом по времени. Если расстояние между точками равно
так как при сдвиге во времени на период колебания Т аргумент косинуса должен измениться на
где величину Длина волны X — это минимальное расстояние между точками, колебания в которых происходят в фазе. Очевидно, что
Волны бывают продольные и поперечные. Это зависит от направления вектора, описывающего колебания физической величины в волне. Если вектор параллелен направлению распространения волны (как, например, вектор смещения частиц в звуковой волне сжатия — разрежения), то волна продольная.
Наоборот, когда вектор перпендикулярен направлению распространения волны (как, например, векторы напряженности электрического и магнитного полей в электромагнитной волне), то волна поперечная. Формула (2) описывает плоскую монохроматическую волну, распространяющуюся вдоль оси х. Фронт волны (поверхность, на которой колебания происходят в одинаковой фазе) — это плоскость, перпендикулярная оси х. В пространстве также могут распространяться другие типы волн: сферические, когда фронт волны — сфера, цилиндрические и т. д. Фронт волны может принимать самые необычные формы. На фотографии (рис. 2) показана система волн, возбуждаемая кораблями, идущими параллельными курсами. Необычные волны были недавно открыты при химических реакциях в тонких слоях вещества. Такие волны зарождаются на случайных неоднородностях, и их взаимодействие обусловливает причудливые картины фронта (рис. 3). Очень важный тип волны (волновой пакет) получается при сложении монохроматических волн разной частоты. Если, например, сложить монохроматические волны одинаковой амплитуды с частотами, лежащими в интервале До возле основной частоты, то из-за интерференции волны гасят друг друга почти во всем пространстве. Они усиливают друг друга только в ограниченной области. Эта область с большой интенсивностью волны не стоит на месте, а движется в пространстве, образуя сигнал. Длительность сигнала
Чем короче сигнал, тем больший набор частот он содержит. В определенных условиях в средах могут распространяться уединенные волны (например, цунами в океане), которые перемещаются в пространстве на большие расстояния практически без затухания. Такие волны называют солитонамщ они играют важную роль при описании волновых процессов в плазме, твердом теле, элементарных частицах.
|
Оглавление
|