Рух як поширення. Хвилі

Що розуміють під хвилями? Які бувають хвилі? Де в природі спостерігаються хвилі? Що таке електромагнітні хвилі? Як виявляються на досвіді електромагнітні хвилі різних діапазонів?

Урок-лекція

ЩО ТАКЕ ХВИЛЯ. Рух хвиль людина спостерігав з давніх часів, і багато письменників. поети, художники зверталися до образу хвилі. Наукове поняття хвилі з’явилося значно пізніше. Що ж таке хвиля в науковому розумінні? У літературних творах, подібних тому, що приводиться в епіграфі, під хвилями розуміються гребені («гори»), наступні один за іншим. Однак виділяти один гребінець і розглядати лише його було б неправильно. У науці про природу під хвилею розуміють всі сукупний рух в якій-небудь області простору. Те, що хвилі рухаються, очевидно випливає з досвіду.

Хвиля – це процес поширення коливань різної природи в часі і в просторі.

Закріпимо один кінець мотузки на опорі, а за іншою натягнемо мотузку, тримаючи її в руці. Зробивши рукою різкий рух, показане стрілками на малюнку 65, ми побачимо, як по мотузці побіжить хвиля. Нескладно зрозуміти, мотузки не біжать разом з хвилею.

Ми можемо виміряти час, за який хвиля дійшла від місця падіння каменя до деякої точки на поверхні води і, знаючи цю відстань, обчислити швидкість хвилі. Однак рух хвилі не просто рух частинок води. У цьому легко переконатися, кинувши в хвилю тріску. Якби частинки води рухалися разом з хвилею, вони захоплювали б за собою тріску. Однак, повагавшись з хвилею, тріска залишається на місці.

Результати дослідів вказують на те, що процес руху хвилі не є переміщенням частинок зі швидкістю хвилі. Хвиля – це процес поширення коливання частинок.

У більш загальному випадку, наприклад в електромагнітної хвилі, коливаються не часткою, а поля. При цьому не можна сказати, що поле переміщається в просторі. Воно просто зникає в одній точці простору і виникає в іншій точці простору. Таким чином, можна зробити висновок, що хвиля – це процес поширення коливань у різних системах.

Слід зауважити, що визначення хвилі як коливань не зовсім строге. Наприклад, звукова ударна хвиля, що утворюється в результаті вибуху (розряду блискавки) – це різкий стрибок тиску (рис. 66). Як буде показано далі, такі хвилі можуть бути представлені як сума різних коливань.

ПРИРОДА ХВИЛЬ. Спробуємо тепер відповісти на питання, що ж коливається при поширенні хвилі і де в природі зустрічаються хвилі. Найпростіше відповісти на друге питання: хвилі існують скрізь. У різних куточках нашої величезної Всесвіту можна знайти місця, де практично немає речовини, т. Е. Атомів і молекул. Однак немає місця, куди не доходить світло зірок, який являє собою електромагнітну хвилю. Але, можливо, закрившись в темній кімнаті, ми сховаємося від хвиль? І це неможливо. У кімнату проникають радіохвилі, а стіни кімнати, як і ми самі, випромінюють електромагнітні хвилі, невидимі для ока.

Природа хвиль дуже різноманітна, однак побачити хвилі можна тільки у виняткових випадках; прикладом є хвилі на поверхні води і хвиля в натягнутій мотузці (див. рис. 65). У цих випадках ми бачимо коливання. Коливання, що відбуваються в інших хвилях, невидимі і можуть бути вивчені тільки при застосуванні спеціальних приладів. Прикладом є звук, що представляє собою поширюються коливання тиску повітря. Ці коливання, доходячи до барабанної перетинки вуха, викликають відчуття звуку, але встановити, що це саме коливання, можна, лише використовуючи прилади.

Звук поширюється не тільки в газах, але і в рідинах і твердих тілах; важливо, щоб такі тіла володіли достатньою пружністю. Більш загальна назва таких хвиль – хвилі пружності. До подібних хвилям відносяться також і хвилі в натягнутих нитках, наприклад хвилі в струнах музикапьних інструментів.

При поширенні хвиль пружності відбувається рух частинок, складових речовина. При поширенні електромагнітних хвиль ніякі частки не рухаються, відбувається просто зміна електричних і магнітних полів в просторі.

Електромагнітні поля зазвичай реєструються приладами, але деякі з них, наприклад світло, сприймаються органами почуттів, хоча ніяких коливань ми при цьому не бачимо.

Ми привели далеко не всі приклади хвиль, однак і цих прикладів достатньо, щоб скласти уявлення про велику різноманітність хвиль.

Хвилі можуть мати різноманітну природу,

ШКАЛА ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ХВИЛЬ. З курсу фізики згадайте поняття «довжина хвилі».

Електромагнітні хвилі є найбільш поширеними в природі. Серед інших хвиль електромагнітні хвилі чудові тим, що діапазон, в якому змінюються частоти і відповідно довжини хвиль, дуже великий. Різні прилади здатні реєструвати електромагнітні хвилі з довжиною хвилі від декількох кілометрів до часток пікометр (10-12 м). У таблиці наведено назви хвиль різних діапазонів і деякі властивості хвиль.

Додамо до інформації, що зазначена в останній колонці таблиці, що хвилі всіх діапазонів використовуються для визначення спектрів різних речовин. На основі аналізу спектрів виходить інформація про склад речовин. Крім того, хвилі всіх діапазонів знаходять в даний час застосування в медицині (УВЧ- і СВЧ-терапія, флюорографія, лазерна хірургія ока, лікування ракових захворювань та ін.).

У таблиці наведені відомості про шкідливі наслідки, що викликаються сильними електромагнітними хвилями. Однак сильні звукові хвилі також роблять на організм шкідливий вплив. Тому при роботі в підвищеній шумовий обстановці необхідно використовувати шумозахисні пристрої (навушники). Шкідливий вплив на організм може надати також тривале прослуховування гучної музики.

Деякі «безневинні» прилади, наприклад лазерні указки, оптичні миші випромінюють світло, здатний пошкодити зір при прямому попаданні в око. Не грайся ті з такими приладами, направляючи випромінювання в око!

Чим обумовлено шкідливий вплив деяких електромагнітних хвиль на ші організми?
Чи можуть мати шкідливий вплив на організм хвилі друга (не елект ромагнітной) природи? Наведіть приклади.
Проробіть досвід з хвилею в натягнутій мотузці і спробуйте відповісти на питання: а) яка швидкість поширення такої хвилі; б) як ця швидкість з міняється при зміні натягу мотузки і при зміні властивостей мотузки (наприклад, її товщини)?

Посилання на основну публікацію