Viļņi mūs ieskauj visur, jo dzīvojam kustību un skaņu pasaulē. Kāda ir viļņu procesa būtība, kāda ir viļņu procesu teorijas būtība? Apskatīsim to ar eksperimentu piemēru.
Viļņu jēdziens fizikā
Kops jēdziens daudziem procesiem ir skaņas klātbūtne. Pēc definīcijas skaņa ir strauju svārstību kustību rezultāts, ko rada gaiss vai cita vide, ko uztver mūsu dzirdes orgāni. Zinot šo definīciju, mēs varam turpināt apsvērt jēdzienu "viļņu process". Ir vairāki eksperimenti, kas ļauj vizuāli apsvērt šo parādību.
Izpētītie viļņu procesi fizikā ir novērojami radioviļņu, skaņas viļņu, kompresijas viļņu veidā, lietojot balss saites. Tie izplatās pa gaisu.
Lai vizuāli definētu jēdzienu, iemetiet akmeni peļķē un raksturojiet efektu izplatību. Šis ir gravitācijas viļņa piemērs. Tas rodas šķidruma paaugstināšanās un krituma dēļ.
Akustika
Visa sadaļa ar nosaukumu "Akustika" ir veltīta skaņas īpašību izpētei fizikā. Paskatīsimies, ko tas raksturo. Koncentrēsimies uz lietām unprocesiem, kuros viss vēl nav skaidrs, par problēmām, kuras vēl tikai gaida atrisināšanu.
Akustikai, tāpat kā citām fizikas nozarēm, joprojām ir daudz neatrisinātu noslēpumu. Tie vēl jāatver. Apskatīsim viļņu procesu akustikā.
Skaņa
Šis jēdziens ir saistīts ar svārstīgu kustību klātbūtni, ko rada vides daļiņas. Skaņa ir virkne svārstību procesu, kas saistīti ar viļņu parādīšanos. Veidošanās procesā kompresijas un retināšanas vidē notiek viļņu process.
Viļņa garuma indikatori ir atkarīgi no vides, kurā notiek svārstību procesi, rakstura. Gandrīz visas dabā sastopamās parādības ir saistītas ar skaņas vibrāciju un skaņas viļņu klātbūtni, kas izplatās vidē.
Viļņu procesa noteikšanas piemēri dabā
Šīs kustības var informēt par viļņu procesa fenomenu. Augstas frekvences skaņas viļņi var ceļot tūkstošiem kilometru, piemēram, vulkāna izvirduma gadījumā.
Kad notiek zemestrīce, rodas spēcīgas akustiskās un ģeoakustiskās vibrācijas, kuras var reģistrēt ar īpašiem skaņas uztvērējiem.
Zemūdens zemestrīces laikā notiek interesanta un briesmīga parādība - cunami, kas ir milzīgs vilnis, kas radās spēcīgas pazemes vai zemūdens elementu izpausmes laikā.
Pateicoties akustikai, var iegūt informāciju, ka tuvojas cunami. Daudzas no šīm parādībām ir zināmas jau ilgu laiku. Bet līdz šim daži fizikas jēdzieninepieciešama rūpīga izpēte. Tāpēc, lai pētītu vēl neatrisinātus noslēpumus, palīgā nāk skaņas viļņi.
Tektonikas teorija
18. gadsimtā radās "katastrofas hipotēze". Tolaik jēdzieni "elements" un "likumība" nebija saistīti. Tad viņi atklāja, ka okeāna dibena vecums ir daudz jaunāks par sauszemi, un šī virsma tiek pastāvīgi atjaunināta.
Tieši šajā laikā, pateicoties jaunam skatījumam uz zemi, trakā hipotēze pārauga teorijā "Litosfēras plātņu tektonika", kas apgalvo, ka zemes apvalks kustas un debess klājums peld. Šāds process ir līdzīgs mūžīgā ledus kustībai.
Lai izprastu aprakstīto procesu, ir svarīgi atbrīvoties no stereotipiem un ierastajiem uzskatiem, realizēt citus esības veidus.
Turpmākie zinātnes sasniegumi
Ģeoloģiskajai dzīvībai uz Zemes ir savs laiks un matērijas stāvoklis. Zinātnei ir izdevies atjaunot līdzību. Okeāna dibens nepārtraukti pārvietojas, izraisot plīsumus un grēdu veidojumus, jo jauna matērija paceļas no zemes dzīlēm uz virsmu un pakāpeniski atdziest.
Šajā laikā uz sauszemes notiek procesi, kad uz zemes mantijas virsmas peld kolosālas litosfēras plāksnes - zemes augšējā akmens čaula, kas nes kontinentus un jūras dibenu.
Šādu plākšņu skaits ir aptuveni desmit. Mantija ir nemierīga, tāpēc litosfēras plāksnes sāk kustēties. Laboratorijas apstākļos šim procesam ir patīkama pieredze.
Dabā tas draud ar ģeoloģisku katastrofu- zemestrīce. Litosfēras plākšņu kustības iemesls ir globālie konvekcijas procesi, kas notiek zemes dzīlēs. Viršanas rezultāts būs cunami.
Japāna
Starp citām seismiski bīstamām zemes zonām Japāna ieņem īpašu vietu, šo salu ķēdi sauc par "uguns joslu".
Cieši sekojot zemes debesu elpai, var paredzēt tuvojošos katastrofu. Lai pētītu svārstību procesus, zemes biezumā tika ieviesta īpaši dziļa urbšanas iekārta. Tas iekļuva 12 km dziļumā un ļāva zinātniekiem izdarīt secinājumus par noteiktu iežu klātbūtni zemes iekšienē.
Fizikas stundās 9. klasē mācās elektromagnētiskā viļņa ātrumu. Parādiet pieredzi ar svariem, kas atrodas vienādā attālumā viens no otra. Tie ir savienoti ar identiskām parastās formas atsperēm.
Ja pirmo atsvaru nobīdāt pa labi noteiktā attālumā, otrs kādu laiku paliek tajā pašā stāvoklī, bet atspere jau sāk saspiesties.
Jēdziena "vilnis" definīcija
Kopš šāds process ir noticis, ir radies elastības spēks, kas spiedīs otro svaru. Viņš iegūs paātrinājumu, pēc brīža uzņems ātrumu, virzīsies šajā virzienā un saspiedīs atsperi starp otro un trešo svaru. Savukārt trešais saņems paātrinājumu, sāks paātrināties, pārslēgsies un ietekmēs ceturto atsperi. Tātad process notiks visos sistēmas elementos.
Šajā gadījumā otrās slodzes nobīde garlaiks notiks vēlāk nekā pirmais. Sekas vienmēr atpaliek no cēloņa.
Arī otrās slodzes pārvietošana izraisīs trešās slodzes pārvietošanu. Šim procesam ir tendence izplatīties pa labi.
Ja pirmais svars sāka svārstīties saskaņā ar harmonikas likumu, tad šis process izplatīsies uz otro svaru, bet ar aizkavētu reakciju. Tāpēc, ja liksiet vibrēt pirmajam svaram, jūs varat iegūt svārstību, kas laika gaitā izplatīsies telpā. Šī ir viļņa definīcija.
Viļņu dažādība
Iedomāsimies vielu, kas sastāv no atomiem, tie ir:
- ir masa - līdzīgi kā eksperimentā piedāvātajiem svariem;
- savienojieties viens ar otru, veidojot cietu ķermeni, izmantojot ķīmiskās saites (kā aprakstīts eksperimentā ar atsperi).
No tā izriet, ka matērija ir sistēma, kas atgādina pieredzes modeli. Tas var izplatīt mehānisku viļņu. Šis process ir saistīts ar elastīgo spēku rašanos. Šādus viļņus bieži dēvē par "bouncy".
Ir divu veidu elastīgie viļņi. Lai tos noteiktu, varat ņemt garu atsperi, salabot to vienā pusē un izstiept pa labi. Tātad jūs varat redzēt, ka viļņu izplatīšanās virziens ir gar atsperi. Vides daļiņas pārvietojas vienā virzienā.
Šādā viļņā daļiņu svārstību virziena raksturs sakrīt ar viļņa izplatīšanās virzienu. Šo jēdzienu sauc par "garenisko vilni".
Ja izstiepsi pavasari un dosi tam laiku nāktuz miera stāvokli un pēc tam strauji mainot pozīciju vertikālā virzienā, būs redzams, ka vilnis izplatās gar atsperi un daudzkārt atstarojas.
Bet daļiņu svārstību virziens tagad ir vertikāls, un viļņu izplatīšanās ir horizontāla. Tas ir šķērsvilnis. Tas var pastāvēt tikai cietās daļās.
Dažāda veida elektromagnētisko viļņu ātrums ir atšķirīgs. Šo īpašību seismologi veiksmīgi izmanto, lai noteiktu attālumu līdz zemestrīces avotiem.
Kad vilnis izplatās, daļiņas svārstās gar vai šķērsām, taču to nepavada matērijas pārnešana, bet tikai kustība. Tātad norādīts mācību grāmatā "Fizika" 9.klase.
Viļņu vienādojuma raksturojums
Viļņu vienādojums fiziskajā zinātnē ir sava veida lineārs hiperbolisks diferenciālvienādojums. To izmanto arī citās jomās, uz kurām attiecas teorētiskā fizika. Šis ir viens no vienādojumiem, ko matemātiskā fizika izmanto aprēķinos. Jo īpaši ir aprakstīti gravitācijas viļņi. Izmanto, lai aprakstītu procesus:
- akustikā, kā likums, lineārais tips;
- elektrodinamikā.
Viļņu procesi tiek parādīti aprēķinos homogēna viļņu vienādojuma daudzdimensiju gadījumam.
Atšķirība starp vilni un šūpolēm
Ievērojami atklājumi rodas, domājot par parastu parādību. Galilejs par laika standartu uztvēra sirdspukstus. Tādējādi tika atklāta svārsta svārstību procesa noturība - viens no galvenajiem mehānikas noteikumiem. Tasabsolūti tikai matemātiskajam svārstam - ideālai svārstību sistēmai, kuru raksturo:
- bilances pozīcija;
- spēks, kas atgriež ķermeni tā līdzsvara stāvoklī, kad tas novirzās;
- enerģijas pārejas, kad notiek svārstības.
Lai izvestu sistēmu no līdzsvara, ir nepieciešams nosacījums, lai notiktu svārstības. Šajā gadījumā tiek ziņots par noteiktu enerģiju. Dažādām vibrācijas sistēmām ir nepieciešama dažāda veida enerģija.
Svārstības ir process, kam raksturīga pastāvīga kustību vai sistēmas stāvokļu atkārtošanās noteiktos laika periodos. Skaidrs svārstību procesa demonstrējums ir šūpojoša svārsta piemērs.
Svārstību un viļņu procesi tiek novēroti gandrīz visās dabas parādībās. Viļņa funkcija ir traucēt vai mainīt vides stāvokli, izplatās telpā un pārnēsā enerģiju bez nepieciešamības pārnest vielu. Šī ir viļņu procesu atšķirīga īpašība, tie ir pētīti fizikā ilgu laiku. Izpētot, varat izcelt viļņa garumu.
Skaņas viļņi var pastāvēt visās sfērās, tie neeksistē tikai vakuumā. Elektromagnētiskajiem viļņiem ir īpašas īpašības. Tie var pastāvēt visur, pat vakuumā.
Viļņa enerģija ir atkarīga no tā amplitūdas. Apļveida vilnis, kas izplatās no avota, izkliedē enerģiju telpā, tāpēc tā amplitūda strauji samazinās.
Lineāram vilnim ir interesantas īpašības. Tāpēc tā enerģija netiek izkliedēta telpāšādu viļņu amplitūda samazinās tikai berzes spēka dēļ.
Viļņu izplatīšanās virzienu attēlo stari - līnijas, kas ir perpendikulāras viļņa frontei.
Leņķis starp krītošo staru un normālo staru ir krišanas leņķis. Starp parasto un atstaroto staru ir atstarošanas leņķis. Šo leņķu vienādība tiek saglabāta jebkurā šķēršļa pozīcijā attiecībā pret viļņu fronti.
Kad satiekas viļņi, kas kustas pretējos virzienos, var veidoties stāvvilnis.
Rezultāti
Vidnes daļiņas starp blakus esošajiem stāvviļņa mezgliem svārstās vienā un tajā pašā fāzē. Tie ir viļņu vienādojumos fiksētie viļņu procesa parametri. Viļņiem saskaroties, var novērot gan to amplitūdu pieaugumu, gan samazināšanos.
Zinot galvenos viļņu procesa raksturlielumus, ir iespējams noteikt radošā viļņa amplitūdu dotajā punktā. Noskaidrosim, kurā fāzē vilnis no pirmā un otrā avota ieradīsies šajā punktā. Turklāt fāzes ir pretējas.
Ja ceļa starpība ir nepāra skaits pusviļņu, iegūtā viļņa amplitūda šajā punktā būs minimāla. Ja ceļa starpība ir vienāda ar nulli vai veselu viļņu garumu skaitu, tikšanās punktā tiks novērots iegūtā viļņa amplitūdas pieaugums. Šis ir traucējumu modelis, kad tiek pievienoti viļņi no diviem avotiem.
Elektromagnētisko viļņu frekvence ir fiksēta mūsdienu tehnoloģijās. Uztvērējai ierīcei jāreģistrē vāji elektromagnētiskie viļņi. Ja uzliksiet atstarotāju, uztvērējā iekļūs vairāk viļņu enerģijas. Atstarotāju sistēma ir uzstādīta tā, lai tā radītu maksimumusignālu uztverošajā ierīcē.
Viļņu procesa raksturojums ir pamatā mūsdienu priekšstatiem par gaismas dabu un matērijas struktūru. Tādējādi, apgūstot tos 9. klases fizikas mācību grāmatā, var veiksmīgi apgūt uzdevumu risināšanu no mehānikas jomas.
