Цели урока:
обучающая :
- сформирование понятия «механическая волна»;
- рассмотрение условий возникновения двух видов волн;
- характеристики волн;
развивающая :
- развитие умения применять знания в конкретных ситуациях;
воспитательная:
- воспитание познавательного интереса;
- положительной мотивации к обучению;
- аккуратность при выполнении заданий.
Тип урока: урок формирования новых знаний.
Оборудование:
для демонстраций: резиновый шнур, стакан с водой, пипетка, макет «Волновая машина», компьютер, мультимедийный проектор, презентация «Волны».
Ход урока
1. Организационный момент.
Объявление темы и целей урока.
2. Актуализация опорных знаний
Тест
Вариант № 1
. Движение качелей.Б. Движение падающего на Землю мяча,
2. Какие из перечисленных ниже колебаний являются свободными?
Б. Колебания диффузора громкоговорителя во время работы громкоговорителя.
3. Частота колебаний тела равна 2000 Гц. Чему равен период колебаний?
4. Дано уравнение x=0,4 cos 5nt. Определить амплитуду, период колебания.
5. Подвешенный на нити груз совершает малые колебания. Считая колебания незатухающими, укажите правильные ответы.
. Чем длиннее нить, тем больше частота колебаний.Б. При прохождении грузом положения равновесия скорость груза максимальна.
В. Груз совершает периодическое движение.
Вариант № 2
1. Какие из перечисленных ниже движений являются механическими колебаниями?
. Движение веток деревьев.Б. Движение капелек дождя на землю.
В. Движение звучащей струны гитары.
2. Какие из перечисленных ниже колебаний являются вынужденными?
. Колебания груза на пружине после однократного отклонения его от положения равновесия.Б. Движение поршня в цилиндре двигателя внутреннего сгорания.
В. Колебания груза на нити, один раз отведенного от положения равновесия и отпущенного.
3. Период колебаний тела 0,01 с. Чему равна частота колебаний?
4. Тело совершает гармоническое колебание по закону =20 sin nt. Определить амплитуду, период колебаний.
5. Подвешенный на пружине груз совершает малые колебания в вертикальном направлении. Считая колебания незатухающими, укажите правильные ответы.
. Чем больше жесткость пружины, тем больше период колебаний.Б. Период колебаний зависит от амплитуды.
В. Скорость груза изменяется со временем периодически.
3. Формирование новых знаний.
Основной физической моделью вещества является совокупность движущихся и взаимодействующих между собой атомов и молекул. Использование этой модели позволяет объяснить с помощью молекулярно-кинетической теории свойства различных состояний вещества и физический механизм переноса энергии и импульса в этих средах. При этом под средой мы можем понимать газ, жидкость, твердое тело.
Рассмотрим способ переноса энергии без переноса вещества в результате последовательной передачи энергии и импульса по цепочке между соседними взаимодействующими друг с другом частицами среды.
Волновой процесс - это процесс переноса энергии без переноса вещества.
Демонстрация опыта:
Прикрепим к потолку резиновый шнур и резким движением руки заставим его свободный конец совершить колебание. В результате внешнего воздействия на среду в ней возникает возмущение – отклонение частиц среды от положения равновесия;
Проследить за распространением волн на поверхности воды в стакане, создавая их каплями воды, падающими их пипетки.
Механическая волна - это возмущение, распространяющееся в упругой среде от точки к точке (газ, жидкость, твердое тело).
Знакомство с механизмом образования волны на макете «Волновая машина». При этом учитывать колебательное движение частиц и распространение колебательного движения.
Различают волны продольные и поперечные.
Продольные – волны в которой частицы среды колеблются вдоль направления распространения волны. (Газы, жидкости, твердые тела). Наблюдается когда забивается гвоздь молотком, продольный импульс проносится вдоль гвоздя, загоняя его глубже.
Поперечные – волны, в которой частицы колеблются перпендикулярно направлению распространения волны (твердые тела). Наблюдается в веревке, один конец которой приходит в колебательное движение.
Бегущая волна, основное свойство которой в переносе энергии без переноса вещества: электромагнитное излучение Солнца обогревает Землю, волны океана размывают берега.
Характеристики волны.
Длина волны – расстояние, пройденное волной за один период колебания ее частиц. На расстоянии длины волны располагаются соседние гребни или впадины в поперечной волне или сгущения или разрежения в продольной.
λ - длина волны.
Скорость волны - скорость перемещения гребней и впадин в поперечной волне и сгущений и разрежений в продольной.
v – скорость волны
Знакомство с формулами для определения длины волны:
λ = v / v
v – частота
T – период
Формирование умений и навыков.
Решение задач.
1. Мальчик несет на коромысле ведра с водой, период свободных колебаний которых 1,6 с. При какой скорости движения мальчика вода начнет особенно сильно выплескиваться, если длина его шага 65 см?
2. По поверхности воды в озере распространяется волна со скоростью 8 м/с. Каковы период и частота колебаний бакена, если длина волны 3 м?
3. Длина волны в океанах может достигать 400 м, а период 14,5 с. Определите скорость распространения такой волны.
Итоги урока.
1. Что такое волна?
2. В чем заключается процесс возникновения волн?
3. Какие волны мы воспринимаем находясь в классе?
4. Происходит ли перенос вещества среды при образовании волн?
5. Перечислите характеристики волн.
6. Как связаны скорость, длина волны и частота?
Домашнее задание:
П.31-33 (учебник Физика-9)
№ 439,438 (Рымкевич А.П.)
ОК-9 Распространение колебаний в упругой среде
Волновое движение - механические волны, т. е. волны, которые распространяются только в веществе (морские, звуковые, волны в струне, волны землетрясений). Источниками волн являются колебания вибратора.
Вибратор - колеблющееся тело. Создает колебания в упругой среде.
Волной называются колебания, распространяющиеся в пространстве с течением времени.
Волновая поверхность - геометрическое место точек среды, колеблющихся в одинаковых фазах
Л
уч
- линия, касательная к которой в каждой
точке совпадает с направлением
распространения волны.
Причина возникновения волн в упругой среде
Если вибратор колеблется в упругой среде, то он воздействует на частицы среды, заставляя их совершать вынужденные колебания. За счет сил взаимодействия между частицами среды колебания передаются от одной частицы к другой.
Т
ипы
волн
Поперечные волны
Волны, в которых колебания частиц среды происходят в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. Возникают в твердых телах и на поверхности поды.
П
родольные
волны
Колебания происходят вдоль распространения волны. Могут возникать в газах, жидкостях и твердых телах.
Поверхностные волны
В
олны,
которые распространяются на границе
раздела двух сред. Волны на границе
между водой и воздухом. Еслиλ
меньше
глубины водоема, то каждая частица воды
на поверхности и вблизи от нее движется
по эллипсу, т.е. представляет собой
комбинацию колебаний в продольном и
поперечном направлениях. У дна же
наблюдается чисто продольное движение.
Плоские волны
Волны, у которых волновые поверхности являются плоскостями, перпендикулярными на правлению распространения волн.
С
ферические
волны
Волны, у которых волновые поверхности являются сферами. Сферы волновых поверхностей концентрические.
Характеристики волнового движения
Длина волны
Наименьшее расстояние между двумя гонками, колеблющимися в одной фазе, называется длиной волны. Зависит только от среды, в которой распространяется волна, при равных частотах вибратора.
Частота
Частота ν волнового движения зависит только от частоты вибратора.
Скорость распространения волны
Скорость v=λν
. Так как
,
то
.
Однако скорость распространения волны
зависит от вида вещества и его состояния;
отν
иλ
, не зависит.
В идеальном газе
,
гдеR
- газовая
постоянная;М
- молярная масса;Т
- абсолютная температура;γ
-
постоянная для данного газа;ρ
-
плотность вещества.
В твердых телах поперечные волны
,
гдеN
- модуль сдвига;
продольные волны
,
гдеQ
- модуль
всестороннего сжатия. В твердых стержнях
гдеЕ
- модуль Юнга.
В твердых телах распространяются как поперечные, так и продольные волны с разными скоростями. На этом основан способ определения эпицентра землетрясения.
Уравнение плоской волны
Его вид x =x 0 sinωt (t −l /v) =x 0 sin(ωt −kl ), гдеk = 2π /λ - волновое число;l - расстояние, пройденное волной от вибратора до рассматриваемой точкиА .
Запаздывание по времени колебаний точек
среды:
.
Запаздывание по фазе колебаний точек
среды:
.
Разность фаз двух колеблющихся точек: ∆φ =φ 2 −φ 1 = 2π (l 2 −l 1)/λ .
Энергия волны
Волны переносят энергию от одной колеблющейся частицы к другой. Частицы совершают только колебательные движения, но не движутся вместе с волной: E =E к +E п,
где E к - кинетическая энергия колеблющейся частицы;E п - потенциальная энергия упругой деформации среды.
В некотором объеме V
упругой среды, в которой распространяется
волна с амплитудойх
0 и
циклической частотойω
, имеется
средняя энергияW
,
равная
,
гдеm
- масса выделенного
объема среды.
Интенсивность волны
Физическая величина, которая равна
энергии, переносимой волной за единицу
времени через единицу площади поверхности
перпендикулярно направлению распространения
волны, называется интенсивностью волны:
.
Известно, чтоW
иj
~
.
Мощность волны
Если S - поперечная площадь поверхности, через которую волной переносится энергия, аj - интенсивность волны, то мощность волны равна:p =jS .
ОК-10 Звуковые волны
У
пругие
волны, вызывающие у человека ощущение
звука, называются звуковыми волнами.
16 –2∙10 4 Гц - слышимые звуки;
меньше 16 Гц - инфразвуки;
больше 2∙10 4 Гц - ультразвуки.
О
бязательное
условие для возникновения звуковой
волны - наличие упругой среды.
М
еханизм
возникновения звуковой волны аналогичен
возникновению механической волны в
упругой среде. Совершая колебания в
упругой среде, вибратор воздействует
на частицы среды.
Звук создают долговременные периодические источники звука. Например, музыкальный: струна, камертон, свист, пение.
Шум создают долговременные, но не периодические источники звука: дождь, море, толпа.
Скорость звука
Зависит от среды и ее состояния, как и для любой механической волны:
.
При t = 0°Сv воды = 1430 м/с,v стали = 5000 м/с,v воздуха = 331 м/с.
Приемники звуковых волн
1. Искусственные: микрофон преобразует
механические звуковые колебания в
электрические. Характеризуются
чувствительностью σ
:
,σ
зависит отν
з.в. .
2. Естественные: ухо.
Его чувствительность воспринимает звук при ∆p = 10 −6 Па.
Чем меньше частота ν звуковой волны, тем меньше чувствительностьσ уха. Еслиν з.в. уменьшается от 1000 до 100 Гц, тоσ уха уменьшается в 1000 раз.
Исключительная избирательность: дирижер улавливает звуки отдельных инструментов.
Физические характеристики звука
Объективные
1. Звуковое давление - давление, оказываемое звуковой волной на стоящее перед ней препятствие.
2. Спектр звука - разложение сложной звуковой волны на составляющие ее частоты.
3.
Интенсивность
звуковой волны:
,
гдеS
- площадь
поверхности;W
-
энергия звуковой волны;t
- время;
.
Субъективные
Громкость, как и высота, звука связана с ощущением, возникающим в сознании человека, а также с интенсивностью волны.
Человеческое ухо способно воспринимать
звуки интенсивностью от 10 −12 (порог слышимости) до 1
(порог болевого ощущения).
Г
ромкость
не является прямо пропорциональной
величиной интенсивности. Чтобы получить
звук в 2 раза большей громкости, надо
интенсивность увеличить в 10 раз. Волна,
имеющая интенсивность 10 −2 Вт/м 2 ,
звучит в 4 раза громче, чем волна
интенсивностью 10 −4 Вт/м 2 .
Из-за этого соотношения между объективным
ощущением громкости и интенсивностью
звука используют логарифмическую шкалу.
Единицей этой шкалы является бел (Б) или
децибел (дБ), (1 дБ = 0,1 Б), названная в честь
физика Генриха Бела. Уровень громкости
выражается в белах:
,
гдеI
0 = 10 −12 
порог слышимости (усредненный).
Е
слиI
= 10 −2 
,
то
.
Громкие звуки вредны для нашего организма. Санитарная норма равна 30–40 дБ. Это громкость спокойной тихой беседы.
Шумовая болезнь: высокое артериальное давление крови, нервная возбудимость, тугоухость, быстрая утомляемость, плохой сон.
Интенсивность и громкость звука от различных источников: реактивный самолет - 140 дБ, 100 Вт/м 2 ; рок-музыка в закрытом помещении - 120 дБ, 1 Вт/м 2 ; обычный разговор (50 см от него) - 65 дБ, 3,2∙10 −6 Вт/м 2 .
Высота звука зависит от частоты колебаний: чем >ν , тем выше звук.
Т
ембр
звука
позволяет различать два звука
одинаковой высоты и громкости, издаваемых
различными инструментами. Он зависит
от спектрального состава.
Ультразвук
Применяется: эхолот для определения глубины моря, приготовление эмульсий (вода, масло), отмывка деталей, дубление кожи, обнаружение дефектов в металлических изделиях, в медицине и др.
Распространяется на значительные расстояния в твердых телах и жидкостях. Переносит энергию значительно большую, чем звуковая волна.
Волной называют колебания, распространяющиеся в пространстве в течение времени. Для возникновения и распространения волн необходимо условия: источник колебаний и упругая среда.
Существует два типа волн: поперечные и продольные. Поперечной называют такую волну, в которой частицы колеблются перпендикулярно (т.е. поперек) направлению распространения волны. Продольной называют такую волну, в которой частицы колеблются в направлении (т.е. вдоль) распространения волны.
Характеристики колебательного процесса:
1. Смещение - отклонение колеблющейся точки от положения равновесия в данный момент времени (м).
2. Амплитуда - наибольшее смещение от положения равновесия (м).
3. Период Т – время, за которое совершается одно полное колебание (с).
4. Частота - число полных колебаний за единицу времени (Гц, с -1).
5. Циклическая (круговая) частота - число полных колебаний за единиц времени (секунд) ().
6. Фаза колебаний - физическая величина, определяющая смещение в данный момент времени (рад ). Фаза колебаний в начальнй момент времени называется начальной фазой.
Гармонические колебания – колебания, при которых изменения физических величин происходит по закону синуса или косинуса (гармоническому закону).
или 
, .
Амплитуда колебаний, - частота колебаний, - начальные фазы колебаний, 
- фаза колебаний.
Вынужденные колебания – незатухающие колебания системы, которые вызваются действием внешней периодической силы.
Резонанс – явления возрастания амплитуды колебаний при приближении частоты вынуждающей силы к частоте вынужденных колебаний.
Виды волновых процессов: механические волны, электромагнитные волны (в отличие от механических могут распространятся в вакууме).
Математический маятник – материальная точка, подвешенная на невесомой нерастяжимой нити.
Пружинный маятник. .
Звук – колебательное движение частиц упругой среды, распространяющееся в виде волн.
Колебания, возбужденные в какой-либо 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 колебаний, тем позднее она начнет колебаться. Иначе говоря, увлекаемые частицы будут отставать по фазе от тех частиц, которые их увлекают.
При изучении распространения колебаний не учитывается дискретное (молекулярное) строение среды. Среда рассматривается как сплошная, т.е. непрерывно распределенная в пространстве и обладающая упругими свойствами.
Итак, колеблющееся тело, помещенное в упругую среду, является источником колебаний, распространяющихся от него во все стороны. Процесс распространения колебаний в среде называется волной .
При распространении волны частицы среды не движутся вместе с волной, а колеблются около своих положений равновесия. Вместе с волной от частицы к частице передается лишь состояние колебательного движения и энергия. Поэтому основным свойством всех волн , независимо от их природы , является перенос энергии без переноса вещества.
Волны бывают поперечными (колебания происходят в плоскости, перпендикулярной направлению распространения ) и продольными (сгущение и разрежение частиц среды происходит в направлении распространения ).
где υ – скорость распространения волны, – период, ν – частота. Отсюда скорость распространения волны можно найти по формуле:
| . | (5.1.2) |
Геометрическое место точек, колеблющихся в одинаковой фазе, называется волновой поверхностью . Волновую поверхность можно провести через любую точку пространства, охваченную волновым процессом, т.е. волновых поверхностей бесконечное множество. Волновые поверхности остаются неподвижными (они проходят через положение равновесия частиц, колеблющихся в одинаковой фазе). Волновой фронт только один, и он все время перемещается.
Волновые поверхности могут быть любой формы. В простейших случаях волновые поверхности имеют форму плоскости илисферы , соответственно волны называются плоскими или сферическими . В плоской волне волновые поверхности представляют собой систему параллельных друг другу плоскостей, в сферической волне – систему концентрических сфер.
Среда называется упругой, если между ее частицами существуют силы взаимодействия, препятствующие какой-либо деформации этой среды. Когда какое-либо тело совершает колебания в упругой среде, то оно воздействует на частицы среды, прилегающие к телу, и заставляет их совершать вынужденные колебания. Среда вблизи колеблющегося тела деформируется, и в ней возникают упругие силы. Эти силы воздействуют на все более удаленные от тела частицы среды, выводя их из положения равновесия. Постепенно все частицы среды вовлекаются в колебательное движение.
Тела, которые вызывают распространяющиеся в среде упругие волны, являются источниками волн (колеблющиеся камертоны, струны музыкальных инструментов).
Упругими волнами называются механические возмущения (деформации), производимые источниками, которые распространяются в упругой среде. Упругие волны в вакууме распространяться не могут.
При описании волнового процесса среду считают сплошной и непрерывной, а ее частицами являются бесконечно малые элементы объема (достаточно малые по сравнению с длиной волны), в которых находится большое количество молекул. При распространении волны в сплошной среде частицы среды, участвующие в колебаниях, в каждый момент времени имеют определенные фазы колебания.
Геометрическое место точек среды, колеблющихся в одинаковых фазах, образует волновую поверхность.
Волновую поверхность, отделяющую колеблющиеся частицы среды от частиц, еще не начавших колебаться, называют фронтом волны В зависимости от формы фронта волны различают волны плоские, сферические и др.
Линия, проведенная перпендикулярно волновому фронту в направлении распространения волны, называется лучом. Луч указывает направление распространения волны.;;
В плоской волне волновые поверхности представляют собой плоскости, перпендикулярные к направлению распространения волны (рис. 15.1). Плоские волны можно получить на поверхности воды в плоской ванночке с помощью колебаний плоского стержня.
В сферической волне волновые поверхности представляют собой концентрические сферы. Сферическую волну может создать пульсирующий в однородной упругой среде шар. Такая волна распространяется с одинаковой скоростью по всем направлениям. Лучами являются радиусы сфер (рис. 15.2).