Волновое явление. Распространение механических волн. Длина волны. Скорость волны. Электромагнитные волны. Понятие электромагнитной волны. Свойства электромагнитных волн. Волновые явления
Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение – средняя
Общеобразовательная школа №2 имени А.И.Герцена г. Клинцы Брянской области
Урок на тему
Подготовила и провела:
Учитель физики
Прохоренко Анна
Александровна
г. Клинцы, 2013 год
Содержание:
Урок на тему «Волновое явление. Распространение механических волн. Длина волны. Скорость волны. »
Цель урока: ввести понятия волна, длина и скорость волны, условие распространения волны, виды волн, научить учащихся применять формулы для нахождения длины и скорости волны; изучить причины распространение поперечных и продольных волн;
Методические задачи:
Образовательные : ознакомление учащихся с происхождением термина «волна, длина волны, скорость волны»; показать учащимся явление распространение волны, а также доказать с помощью опытов распространение двух типов волн: поперечных и продольных.
Развивающие : содействовать развитию речи, мышления, познавательных и обще трудовых умений; содействовать овладению методами научного исследования: анализа и синтеза.
Воспитательные :
Тип урока: изучение нового материала.
Методы: словесные, наглядные, практические.
Оборудование: компьютер, презентация.
Демонстрации:
Поперечные и продольные волны.
Распространение поперечных и продольных волн.
План занятия:
Организация начала урока.
Мотивационный этап. Постановка целей, задач урока.
Изучение нового материала
Закрепление новых знаний.
Подведение итогов урока.
ХОД УРОКА
Организационный этап
Мотивационный этап. Постановка целей, задач урока.
Что вы наблюдали на данных видеофрагментах? (Волны)
Какие виды волн вы увидели?
На основании ваших ответов мы попробуем с Вами поставить цели для сегодняшнего урока, для этого давайте вспомним каков план изучения понятия, в данном случае понятия волна? (Что такое волна, т.е. определение, виды волн, характеристики волн)
На сегодняшнем уроке я Вам помогу понятия волна, длина и скорость волны, условие распространения волны, виды волн, научить учащихся применять формулы для нахождения длины и скорости волны; изучить причины распространение поперечных и продольных волн; с формировать добросовестное отношение к учебному труду, положительной мотивации к учению, коммуникативных умений; способствовать воспитанию гуманности, дисциплинированности, эстетического восприятия мира.
Изучение нового материала
Сейчас Вам необходимо по плану, который представлен на экране и на листочках у Вас на партах и прочитав параграфы 42 и 43 найти необходимую информацию и выписать её.
План:
Понятие волны
Условия возникновения волны
Источник волн
Что необходимо для возникновения волны
Виды волн (определения)
Волна – колебания, которые распространяются в пространстве с течением времени. Волны возникают в основном благодаря силам упругости.
Особенности волны:
Механические волны могут распространяться только в какой- нибудь среде (веществе): в газе, в жидкости, в твердом теле.
В вакууме механическая волна возникнуть не может.
Источником волн являются колеблющиеся тела, которые создают в окружающем пространстве деформацию среды. (рис)
Для возникновения механической волны необходим:
1. Наличие упругой среды
2 . Наличие источника колебаний – деформации среды
Виды волны:
Поперечные – в которых колебания происходят перпендикулярно направлению движения волны. Возникают только в твердых телах.
Продольные - в которых колебания происходят вдоль направления распространения волн. Возникают в любой среде (жидкости, в газах, в твёрдых телах).
Рассматриваем таблицу, обобщающую предыдущие знания. (Смотрим на презентацию)
Делаем вывод: механическая волна:
процесс распространения колебаний в упругой среде;
при этом происходит перенос энергии от частицы к частице;
переноса вещества нет;
для создания механической волны необходима упругая среда: жидкость, твердое тело или газ.
А теперь рассмотрим и запишем основные характеристики волн.
Какие величины характеризующие волну
Каждая волна распространяется с какой-то скоростью. Под скоростью v волны понимают скорость распространения возмущения. Скорость волны определяется свойствами среды, в которой эта волна распространяется. При переходе волны из одной среды в другую ее скорость изменяется.
Длиной волны λ называется расстояние, на которое распространяется волна за время, равное периоду колебаний в ней.
Основные характеристики: λ= v * T , λ- длина волны м, v – скорость распространения м/с, T – период волны с.
4. Закрепление новых знаний.
Что такое волна?
Условия возникновения волн?
Какие типы волн вы знаете?
Может ли в воде распространяться поперечная волна?
Что называется длиной волны?
Что называется скоростью распространения волны?
Как связать скорость и длину волны?
Рассматриваем 2 вида и определяем где какая волны?
Решите задачи:
Определите длину волны при частоте 200 Гц, если скорость распространения волн равна 340м/с. (68000 м=68 км)
По поверхности воды в озере волна распространяется со скоростью 6 м/с. На поверхности воды плавает листок дерева. Определите частоту и период колебаний листка, если длина волны равна 3м.(0,5 м, 2 с -1 )
Длина волны равна 2 м, а скорость ее распространения 400 м/с. Определите, сколько полных колебаний совершает эта волна за 0,1 с (20)
Рассматриваем это интересно : Волны на поверхности жидкости не являются ни продольными, ни поперечными. Если бросить на поверхность воды небольшой мяч, то можно увидеть, что он движется, покачиваясь на волнах, по круговой траектории. Таким образом, волна на поверхности жидкости представляет собой результат сложения продольного и поперечного движения частиц воды.
5.Подведение итогов урока.
Итак, давайте подведём итоги.
Какими словами описали бы вы состояние после урока?:
Знание только тогда знание, когда оно приобретено усилиями своей мысли, а не памятью;
Ах, как я устал от этой суеты…..
Ты понял блаженство занятий, удачи, закон и секрет
Изучать тему «Механические волны» не так то просто!!!
6 . Информация о домашнем задании.
Подготовить по плану ответы на вопросы с помощью §§42-44
Хорошо знать формулы и определения по теме «Волны»
По выбору: составить кроссворд на тему «Механические волны»
Задачи:
Рыболов заметил, что за 10 с поплавок совершил на волнах 20 колебаний, а расстояние между соседними горбами волн 1,2 м. Какова скорость распространения волн? (T=n/t; T=10/5=2c; λ=υ*ν; ν=1/Т; λ=υ/T; υ=λ*T*υ=1*2=2(м/с))
Длина волы 5 м, а её частота 3 Гц. Определите скорость волны.(1,6 м/с)
Самоанализ
Урок проводился в 11 классе по теме « Волновое явление. Распространение механических волн. Длина волны. Скорость волны.» Является тринадцатым уроком в разделе физики «Механические колебания и волны.» Тип урока: изучение нового материала.
На уроке учитывалась триединая дидактическая цель: образовательная, развивающая, воспитательная. Образовательной целью я поставила ознакомление учащихся с происхождением термина «волна, длина волны, скорость волны»; показать учащимся явление распространение волны, а также доказать с помощью опытов существование двух типов волн: поперечных и продольных. Развивающей целью я поставила формирование у учащихся четкие представления об условиях распространение волны; развитие логического и теоретического мышления, воображения, памяти при решении задач и закреплении ЗУНов. Воспитательной целью я поставила : формировать добросовестное отношение к учебному труду, положительной мотивации к учению, коммуникативных умений; способствовать воспитанию гуманности, дисциплинированности, эстетического восприятия мира.
Во время урока мы прошли следующие этапы:
Организационный этап
Мотивационный и постановка целей, задач урока. На данном этапе на основе просмотренного видеофрагмента мы определили цели и задачи на урок и провели мотивацию. Используя: словесный метод в виде беседы, наглядный метод в виде просмотра видеофрагмента.
Изучение нового материала
На данном этапе я предусматривала логическую связь при объяснении нового материала: логичность, доступность, понятность. Основными методами урока были: словесные (беседа), наглядные (демонстрации, компьютерное моделирование). Форма работы: индивидуальная.
Закрепление нового материала
При закреплении ЗУНов учащихся я использовала интерактивные задания из мультимедийного пособия в разделе «Механические волны», решение задач у доски с объяснением. Основными методами урока были: практические (решение задач), словесные (беседа по вопросам)
Подведение итогов.
Н а данном этапе использовала словесный метод в виде беседы, ребята отвечали на поставленные вопросы.
Проведена рефлексия. Мы выяснили, были ли достигнуты поставленные в начале уроке цели, что для них было сложно на данном уроке. Двум ученикам были поставлены оценки за задачи и нескольким ученикам оценки за ответы.
Информация о домашнем задании.
На данном этапе, учащимся было предложено записать домашнее задание в виде ответа на вопрос по плану и пару задач на листке. И по выбору составить кроссворд.
Я считаю, что триединая дидактическая цель на уроке достигнута.
Приятную картину можно наблюдать в детстве: тихая гладь поверхности воды на реке. И стоит только бросить небольшой камешек - эта картина сразу меняется. Вокруг места, где камень ударился о воду, кругами разбегаются волны. Все читали рассказы о морских путешествиях, о чудовищной силе морских волн, легко раскачивающих большие корабли. Однако при наблюдении этих явлений не всем известно, что звук всплеска воды доносится до нашего уха волнами в том воздухе, которым мы дышим, что свет, с помощью которого мы зрительно воспринимаем окружающее, тоже представляет собой волновое движение. Волны на поверхности воды, свет и звуковые волны можно объединить вместе. Это все примеры волнового движения. Но волны имеют различную природу появления. Что представляет собой волна, с точки зрения физики? Волна — это колебания, распространяющиеся в пространстве с течением времени. Основным свойством волн является то, что идет распространение волны без переноса вещества. Например, если на поверхности воды будет лежать небольшой листик с дерева. Бросим в воду камень. От камня во все стороны, как говорилось ранее, начнут распространяться волны. При этом дойдя до листика, они не будут заставлять его двигаться в сторону волны. Листик так и останется на месте, но при этом будет совершать колебательные движения вверх и вниз. То есть будет меняться только форма воды, а течения не возникнет. Одной из самых важных характеристик воды является скорость её распространения. Скорость распространения любой волны всегда конечна. Скорость волн на поверхности воды сравнительно невелика, поэтому их очень легко наблюдать.
Нетрудно также наблюдать волны, распространяющиеся вдоль резинового шнура. Если один конец шнура закрепить и, слегка натянув шнур рукой, привести другой его конец в колебательное движение, то по шнуру побежит волна. Скорость волны будет тем больше, чем сильнее натянут шнур. Волна добежит до точки закрепления шнура, отразится и побежит назад. В этом опыте при распространении волны происходят изменения формы шнура. Каждый участок шнура колеблется относительно своего неизменного положения равновесия. Обратим внимание на то, что при распространении волны вдоль шнура колебания совершаются в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны. Такие волны называются поперечными.
При этом в таких волнах возникает упругая деформация, называемая деформацией сдвига. Отдельные слои вещества сдвигаются относительно друг друга. При деформации сдвига в твердом теле возникают силы упругости, стремящиеся вернуть тело в исходное состояние. Именно силы упругости и вызывают колебания частиц среды. Но колебания частиц среды могут происходить и вдоль направления распространения волны. Такая волна называется продольной. Продольную волну удобно наблюдать на длинной мягкой пружине большого диаметра. Ударив ладонью по одному из концов пружины, можно заметить, как сжатие (упругий импульс) бежит по пружине. С помощью серии последовательных ударов можно возбудить в пружине волну, представляющую собой последовательные сжатия и растяжения пружины, бегущие друг за другом.
В продольной волне происходит деформация сжатия. Силы упругости, связанные с этой деформацией, возникают как в твердых телах, так и в жидкостях и газах.
Примерами продольных волн могут служить акустические волны, т.е. те, которые воспринимает ухо человека. При распространении механической волны движение передается от одних частиц среды к другим. С передачей движения связана передача энергии. Основное свойство всех волн независимо от их природы состоит в переносе ими энергии без переноса вещества. Энергия поступает от источника, возбуждающего колебания начала шнура, струны и т. д., и распространяется вместе с волной. Через любое поперечное сечение, например шнура, передается энергия. Эта энергия слагается из кинетической энергии движения частиц среды и потенциальной энергии их упругой деформации. Постепенное уменьшение амплитуды колебаний частиц при распространении волны связано с превращением части механической энергии во внутреннюю.
Как же идет распространение механических волн? Проследим за движением отдельных частиц вещества при волновом движении. Сначала рассмотрим поперечную волну, которая распространяется, например, вдоль резинового шнура. Каждый участок шнура обладает массой и упругостью. При деформации шнура в любом его сечении появляются силы упругости. Эти силы стремятся возвратить шнур в исходное положение. Благодаря инертности участок колеблющегося шнура не останавливается в положении равновесия, а проходит его, продолжая двигаться до тех пор, пока силы упругости не остановят этот участок в момент максимального отклонения от положения равновесия. Вместо шнура возьмем цепочку одинаковых металлических шаров, подвешенных на нитях. Шары связаны между собой пружинками (рис.). Масса пружинок много меньше массы шаров. В этой модели инертные (масса) и упругие свойства разделены: масса сосредоточена в основном в шарах, а упругость — в пружинках. Это разделение несущественно при рассмотрении волнового движения. Если отклонить левый крайний шар в горизонтальной плоскости перпендикулярно цепочке шаров, то пружина деформируется и на 2-й шар начнет действовать сила, заставляя его отклоняться в ту же сторону, что и 1-й шар. Вследствие инертности движение 2-го шара не будет происходить согласованно с 1-м. Его движение, повторяющее движение 1-го шара, будет запаздывать по времени. Если 1-й шар заставить колебаться с периодом Т (просто рукой или с помощью какого-либо механизма), то 2-й шар тоже придет в колебательное движение вслед за 1 -м, но с некоторым отставанием по фазе. Третий шар под влиянием силы упругости, вызванной движением 2-го шара, тоже начнет колебаться, еще более отставая по фазе, и т. д. Наконец, все шары станут совершать вынужденные колебания с одной и той же частотой, но с различными фазами. При этом вдоль цепочки шаров побежит поперечная волна. На рисунке а, б, в, г, д, е изображен процесс распространения волны. Показаны положения шаров в последовательные моменты времени, отстоящие друг от друга на четверть периода колебаний (вид сверху). Стрелки у шаров — это векторы скоростей их движения в соответствующие моменты времени. На модели упругого тела в виде цепочки массивных шаров, связанных пружинками (рис. а), можно наблюдать процесс распространения продольных волн. Шары подвешены так, чтобы они могли колебаться только вдоль цепочки. Если 1-й шар привести в колебательное движение с периодом Т, то вдоль цепочки побежит продольная волна, состоящая из чередующихся уплотнений и разрежений шаров (рис. б). Этот рисунок соответствует рисунку е для случая распространения поперечной волны.
Данные явления присущи волнам любой природы. Причем явления интерференции, дифракции, поляризации и свойственны только волновым процессам и могут быть объяснены только на основе волновой теории.
Отражение и преломление. Распространение волн геометрически описывается с помощью лучей. В однородной среде (n = const) лучи прямолинейны. Однако, на границе раздела сред их направления меняются. При этом образуется две волны: отраженная, распространяющаяся в первой среде с прежней скоростью, и преломленная, распространяющаяся во второй среде с другой скоростью, зависящей от свойств этой среды. Явление отражения известно как для звуковых (эхо), так и для световых волн. Благодаря отражению света формируется мнимое изображение в зеркале. Преломление света лежит в основе множества интересных атмосферных явлений. Оно широко используется в различных оптических устройствах: линзах, призмах, оптических волокнах. Эти устройства являются элементами приборов самого разного назначения: фотоаппаратов, микроскопов и телескопов, перископов, проекторов, оптических систем связи и т.д.
Интерференция волн – явление перераспределения энергии при наложении двух (или нескольких) когерентных (согласованных) волн, сопровождающееся возникновением интерференционной картины чередующихся максимумов и минимумов интенсивности (амплитуды) результирующей волны. Когерентными называются волны, для которых разность фаз в точке сложения остаётся неизменной во времени, но может изменяться от точки к точке и в пространстве. Если волны встречаются «в фазе», т.е. одновременно достигают максимального отклонения в одном направлении, то они усиливают друг друга, а если встречаются «в противофазе», т.е. одновременно достигают противоположных отклонений, то ослабляют друг друга. Согласование колебаний двух волн (когерентность) двух волн в случае света возможно, только если они имеют общее происхождение, что обусловлено особенностями процессов излучения. Исключение составляют лазеры, излучение которых характеризуется высокой когерентностью. Поэтому для наблюдения интерференции свет, идущий от одного источника делят на две группы волн, либо пропуская через два отверстия (щели) в непрозрачном экране, либо за счет отражения и преломления на границе сред в тонких пленках. Интерференционная картина от монохроматического источника (λ =const ) на экране для лучей, прошедших через две узкие близко расположенные щели, имеет вид чередующихся ярких и темных полос (опыт Юнга, 1801 г.). Яркие полосы – максимумы интенсивности наблюдаются в тех точках экрана, в которых волны от двух щелей встречаются «в фазе», т. е. их разность фаз
, m =0,1,2,…, (3.10)
Это соответствует разности хода лучей, кратной целому числу длин волн λ
, m =0,1,2,…, (3.11)
Темные полосы (взаимные погашения), т.е. минимумы интенсивности возникают в тех точках экрана, в которых волны встречаются «в противофазе», т. е. их разность фаз составляет
, m =0,1,2,…,
(3.12)
Это соответствует разности хода лучей, кратной нечетному числу полуволн
, m =0,1,2,….
(3.13)
Интерференция наблюдается для различных волн. Интерференция белого света, включающего все волны видимого света в диапазоне длин волн 
мкм может проявляться в виде радужной окраски тонких пленок бензина на поверхности воды, мыльных пузырей, окисных пленок на поверхности металлов. Условия интерференционного максимума в разных точках пленки выполняются для разных волн с разной длиной волны, что приводит к усилению волн разного цвета. Условия интерференции определяются длиной волны, которая для видимого света составляет доли микрон (1 мкм = 10 -6 м), поэтому данное явление лежит в основе различных прецизионных («сверхточных») методов исследования, контроля и измерения. На использовании интерференции основано использование интерферометров, интерференционных спектроскопов, а также метод голографии. Интерференция света используется для измерения длины волны излучения, исследования тонкой структуры спектральных линий, определения плотностей, показателей преломления веществ, толщины тонких покрытий.
Дифракция – совокупность явлений, возникающих при распространении волны в среде с резко выраженной неоднородностью свойств. Это наблюдается при прохождении волн через отверстие в экране, вблизи границы непрозрачных объектов и т.д. Дифракция приводит к огибанию волной препятствия, размеры которого соизмеримы с длиной волны. Если размер препятствия намного превышает длину волны, то дифракция проявляется слабо. На макроскопических препятствиях наблюдается дифракция звуковых, сейсмических волн, радиоволн, для которых 1см км. Для наблюдения дифракции света препятствия должны иметь существенно меньшие размеры. Дифракцией звуковых волн объясняется возможность слышать голос человека, находящегося за углом дома. Дифракцией радиоволн вокруг поверхности Земли объясняется приём радиосигналов в диапазоне длинных и средних радиоволн далеко за пределами прямой видимости излучающей антенны.
Дифракция волн сопровождается их интерференцией, что приводит к формированию дифракционной картины, чередующихся максимумов и минимумов интенсивности. При похождении света через дифракционную решетку, представляющую собой совокупность чередующихся параллельных прозрачных и непрозрачных полос (до 1000 на 1мм), на экране возникает дифракционная картина, положение максимумов которой зависит от длины волны излучения. Это позволяет использовать дифракционную решетку для анализа спектрального состава излучения. Структура кристаллического вещества подобна трехмерной дифракционной решетки. Наблюдение дифракционной картины при прохождении рентгеновского излучения, пучка электронов или нейронов, через кристаллы, в которых упорядоченно расположены частицы вещества (атомы, ионы, молекулы), позволяет исследовать особенности их структуры. Характерной величиной для межатомных расстояний является d~10 -10 м, что соответствует длинам волн используемых излучений и делает их незаменимыми для кристаллографического анализа.
Дифракция света определяет предел разрешающей способности оптических приборов (телескопов, микроскопов и др.). Разрешающая способность – минимальное расстояние между двумя объектами, при котором они видны раздельно, не сливаются – разрешаются. Из-за дифракции изображение точечного источника (например, звезды в телескопе) имеет вид кружка, так что близко расположенные объекты не разрешаются. Разрешающая способность зависит от ряда параметров, в т. ч. от длины волны: чем меньше длина волны, тем лучше разрешение. Поэтому размер объекта, наблюдаемого в оптическом микроскопе, ограничен длиной световой волны (приблизительно 0,5 мкм).
Явление интерференции и дифракции света лежат в основе принципа записи и воспроизведения изображения в голографии. В предложенном в 1948 году Д. Габором (1900 – 1979) методе фиксируется интерференционная картина, полученная при освещении объекта и фотопластинки когерентными лучами. Полученная голограмма представляет собой чередующиеся светлые и темные пятна, не имеющие сходства с объектом, однако, дифракция от голограммы световых волн, идентичных использовавшимся при ее записи, позволяет восстановить волну, рассеянную реальным объектом и получить его объемное изображение.
Поляризация – явление свойственное только поперечным волнам. Поперечность световых волн (как и любых других электромагнитных волн) выражается в том, что колеблющиеся в них векторы напряженности электрического () и индукции магнитного () полей перпендикулярны направлению распространения волны. Кроме того, эти векторы взаимно перпендикулярны, поэтому для полного описания состояния поляризации света требуется знать поведение лишь одного из них. Действие света на регистрирующие устройства определяется вектором напряженности электрического поля, который называют световым вектором.
Световые волны, испущенные естественным источником излучения т.е. множеством независимых атомов, являются не поляризованными, т.к. направление колебаний светового вектора () в естественном луче непрерывно и беспорядочно изменятся, оставаясь перпендикулярным вектору скорости волны.
Свет, у которого направление светового вектора остается неизменным, называется линейно поляризованным. Поляризация – упорядочение колебаний вектора. Примером может служить гармоническая волна. Для поляризации света используются устройства, называемые поляризаторами, действие которых основано на особенностях процессов отражения и преломления света, а так же на анизотропии оптических свойств вещества в кристаллическом состоянии. Световой вектор в луче, прошедшем через поляризатор, колеблется в плоскости называемой плоскостью поляризатора. При прохождении поляризованного света через второй поляризатор оказывается, что интенсивности прошедшего луча изменяется при вращении поляризатора. Свет проходит через прибор без поглощения, если его поляризация совпадает с плоскостью второго поляризатора и полностью им задерживается при повороте кристалла на 90 градусов, когда плоскость колебаний поляризованного света оказывается перпендикулярно плоскости второго поляризатора.
Поляризация света нашла широкое применение в различных отраслях научных исследований и техники. она используется в микроскопических исследованиях, в процессах звукозаписи, оптической локации, скоростной кино- и фотосъемке, в пищевой промышленности (сахариметрия) и т.д.
Дисперсия - зависимость скорости распространения волн от их частоты (длины волны). При распространении электромагнитных волн в среде возникает -
Дисперсия определяется физическими свойствами той среды, в которой распространяются волны. Например, в вакууме электромагнитные волны распространяются без дисперсии, в вещественной же среде, даже в такой разреженной, как ионосфера Земли, возникает дисперсия. Звуковые и ультразвуковые волны также обнаруживают дисперсию. При распространении их в среде гармонические волны разных частот, на которые может быть разложен сигнал, распространяются с различной скоростью, что приводит к искажению формы сигналов. Дисперсия света - зависимость показателя преломления вещества от частоты (длины волны) света. При изменении скорости света в зависимости от частоты (длины волны) показатель преломления меняется. В следствии дисперсии белый свет, состоящий из множества волн различной частоты, при прохождении сквозь прозрачную трехгранную призму разлагается и образуется сплошной (непрерывный) спектр. Изучение этого спектра привело И. Ньютона (1672) к открытию дисперсии света. Для веществ, прозрачных в данной области спектра, показатель преломленияувеличивается с увеличением частоты (уменьшением длины волны), чему и соответствует распределение цветов в спектре. Наибольший показатель преломления оказывается для фиолетового света (=0,38 мкм), наименьший у красного (=0,76 мкм). Подобное явление наблюдается в природе при распространении солнечного света в атмосфере и его преломлении в частицах воды (летом) и льда (зимой). При этом возникает радуга или солнечное гало.
Эффект Доплера. Эффект Доплера - изменение частоты или длины волн, воспринимаемых наблюдателем (приёмником), вследствие движения источника волн и наблюдателя относительно друг друга. Скорость волны u определяется свойствами среды и при движении источника или наблюдателя не меняется. Если наблюдатель или источник волн движется со скоростью относительно среды, то частота v принимаемых волнстановится иной. При этом, как установил К. Доплер (1803 – 1853), при приближении наблюдателя к источнику частота волн увеличивается, а при удалении – уменьшается. Это соответствует уменьшению длины волны λ при сближении источника и наблюдателя и увеличению λ при их взаимном удалении. Для звуковых волн Эффект Доплера проявляется в повышении тона звука, когда источник звука и наблюдатель сближаются (за 1 сек наблюдатель воспринимает большее число волн), и соответственно в понижении тона звука, когда они удаляются. Эффект Доплера обуславливает и «красное смещение», что описано выше. - понижение частот электромагнитного излучения от движущегося источника. Это название связано с тем, что в видимой части спектра в результате эффекта Доплера линии оказываются смещенными к красному концу; «красное смещение» наблюдается и в излучениях любых других частот, например в радиодиапазоне. Противоположный эффект, связанный с повышением частот, называется синим (или фиолетовым) смещением. В астрофизике рассматриваются два «красных смещения» - космологическое и гравитационное. Космологическим (метагалактическим) называют «красное смещение», наблюдаемое для всех далёких источников (галактик, квазаров) - понижение частот излучения, свидетельствующее об удалении этих источников друг от друга и, в частности, от нашей Галактики, т. е. о нестационарности (расширении) Метагалактики. «Красное смещение» для галактик было обнаружено американским астрономом В. Слайфером в 1912-14; в 1929 Э. Хаббл открыл, что для далёких галактик оно больше, чем для близких, и возрастает приблизительно пропорционально расстоянию. Это позволило выявить закон взаимного удаления (разбегания) галактик. Закон Хаббла в этом случае записывается в форме
u = Hr ; (3.14)
(u – скорость удаления галактики, r – расстояние до нее, Н - постоянная Хаббла). Определяя по величине «красного смещения» скорость удаления галактики можно рассчитать расстояние до нее. Для определения расстояний до внегалактических объектов по этой формуле нужно знать численное значение постоянной Хаббла Н. Знание этой постоянной очень важно и для космологии: с ней связано определение «возраста» Вселенной. В начале семидесятых годов двадцатого века для постоянной Хаббла принято значение Н = (3 – 5)*10 -18 с -1 , обратная величина Т = 1/Н = 18 млрд. лет. Гравитационное «красное смещение» является следствием замедления темпа времени и обусловлено гравитационным полем (эффект общей теории относительности). Это явление называется также эффектом Эйнштейна или обобщённым эффектом Доплера. Оно наблюдалось начиная с 1919 сначала в излучении Солнца, а затем и некоторых других звёзд. В ряде случаев (например, при гравитационном коллапсе) должно наблюдаться «красное смещение» обоих типов.
Урок 55.
Тема: Волновые явления. Длина волны.
Скорость распространения волны.
Цели урока: закрепить навыки решения задач по теме «Механические колебания»;познакомить обучающихся с условиями возникновения волн и их видами; изучить характеристики механических волн; сформировать у обучающихся правильное представление о волновом движении частиц среды, используя наглядность; при организации закрепления учебного материала выделить необходимые для заучивания положения, организовать конспектную запись в тетрадях учащихся (дома по конспекту); формировать навыки решения задач по данной теме; развивать у учеников память, культуру речи, логическое и пространственное мышление; воспитывать чувства взаимопомощи, самостоятельность при достижении цели, трудолюбие.
Тип урока: комбинированный.
Ход урока.
1. Организационный момент.
2. Повторение ранее изученного материала.
Мозговой штурм
3. Мотивация учебной и познавательной деятельности.
1.Зреет рожь над жаркой нивой
И от нивы и до нивы
Гонит ветер прихотливый
Золотые переливы.
(А. Фет)
2.Куда ни погляди –
Пшеница
За валом вал ползет на взгорье,
До горизонта без границы
Бушует солнечное море.
(Ю. Оболенцев)
О каких золотых переливах пишет Афанасий Фет и что за солнечное море бушует в стихотворении Юрия Оболенцева? (механические волны)
4. Определение темы урока.
Ассоциативный куст
Запишите тему урока: «Волновые явления. Длина волны. Скорость распространения волны».
5. Изложение нового материала.
Механическая волна – это колебания, которые перемещаются в пространстве и времени в упругой среде
Козьма Прутков писал: «Бросая в воду камешки, смотри на круги, ими образуемые; иначе такое бросание будет пустою забавою».
Эти круги (в виде чередующихся гребней и впадин) являются примером возмущения спокойной до этого поверхности воды.
Возникнув в одном месте, они сразу же начинают распространяться во все стороны. Это и есть волны.
Если в аквариуме или в ванной болтать рукой, тоже образуются волны. Источником этих волн является наша рука. Это самый простой вид колебаний волн, возникающие на поверхности жидкости, и расходящиеся из места возмущения в виде концентрических окружностей.
Волны на поверхности жидкости существуют благодаря действию на частицы жидкости сил тяжести и сил межмолекулярного взаимодействия.
Наиболее распространёнными среди волн этого типа являются морские волны, т. е. волны на поверхности морей и океанов.
Английский учёный А. Эддингтон писал, что «путешествующему на корабле кажется, что океан состоит из волн, а не из воды».
Первые признаки волн начинают появляться после того, как скорость ветра, действующего на поверхность воды, достигает 1,1 м/с. По мере увеличения ветра, высота гребней увеличивается.
Высота волн в Балтийском море доходит до 5 м, в Атлантическом океане – до 9 м, а в водах южного полушария, где водное кольцо охватывает всю Землю, наблюдались волны высотой 12 – 13 м, перемещающиеся со скоростью 20м/с.
Когда морские волны доходят до берега, то при резком изменении глубины могут наблюдаться чрезвычайно высокие взбросы воды. При этом кинетическая энергия огромных масс воды передаётся встречным (береговым) препятствиям, которые могут не выдержать напора воды и разрушиться. Разрушительная сила прибоя достигает больших значений. Так, например, в Шетландских островах на северо-востоке Шотландии можно найти обломки скал массой до 13 т, которые были выброшены на высоту около 20 м. А в Бильбао (Испания) прибоем был перевёрнут и сброшен с места бетонный массив в 1700 т.
Наряду с волнами на поверхности жидкости в механике изучают так называемые упругие волны – возмущения, распространяющиеся в различных средах благодаря действию в них сил упругости.
Возникновение упругой волны легко продемонстрировать на примере колебаний в гибком шнуре.
Демонстрация: гибкий шнур (скакалка). Один конец шнура жёстко укрепляют, а свободный конец хлыстовым движением перемещают в вертикальной плоскости. По шнуру начинает бежать упругая волна. В данном случае источником возмущения упругой среды является рука.
Волна возникает лишь тогда, когда вместе с внешним возмущением появляются силы в среде, противодействующие ему. Обычно это силы упругости.
Механические волны возникают и перемещаются лишь в упругих средах. Такие среды достаточно плотные и соударение частиц в них напоминает упругое соударение шаров. Это позволяет частицам в волне передавать избыток энергии соседним частицам. Частица, передав часть энергии, возвращается в исходное положение. Этот процесс продолжается дальше. Таким образом, вещество в волне не перемещается. С передачей движения волной связана передача энергии без переноса вещества. Частицы среды совершают колебания около своих положений равновесия.
В зависимости от того, в каком направлении частицы совершают колебания по отношению к направлению перемещения волны, различают продольные и поперечные волны.
В продольной волне частицы совершают колебания в направлениях, совпадающих с перемещением волны. Такие волны возникают в результате сжатия – растяжения. Следовательно, они могут возникнуть и в газах, и в твёрдых телах, и в жидкостях.
В поперечной волне частицы совершают колебания в плоскостях, перпендикулярных направлению перемещения волны. Такие волны возникают в результате сдвига слоев среды. Следовательно, они могут возникнуть только в твёрдых телах, т.к. в газах и жидкостях такой вид деформации невозможен.
Волны на поверхности воды (или любой другой жидкости) не являются ни продольными, ни поперечными. Они имеют сложный, продольно – поперечный характер.
Частицы жидкости движутся либо по окружностям, либо по вытянутым в горизонтальном направлении эллипсам. Круговое движение частиц на поверхности воды сопровождаются их медленным перемещением в направлении распространения волны. Именно этим объясняются все те «дары моря», которые можно обнаружить на берегу.
Любой физический процесс всегда описывается рядом характеристик, значения которых позволяют более глубоко понимать содержание процесса. Волновые явления в упругих средах также имеют определённые характеристики. С некоторыми мы знакомились при изучении механических колебаний.
Запись на доске:
А – амплитуда колебаний в волне (м)
(обучающиеся самостоятельно называют эту и последующие характеристики волны)
Т – период колебаний в волне (с)
ν – частота колебаний в волне (Гц)
Скорость волны (м/с
Каждая волна распространяется с какой–то скоростью.
Под скоростью волны понимают скорость распространения возмущения. Скорость волны определяется свойствами среды, в которой эта волна распространяется. При переходе из одной среды в другую её скорость изменяется.
– длина волны (м)
Выбрав направление распространения волны за направление оси ОХ и обозначив через У координату колеблющихся в волне частиц, можно построить график волны.
Длиной волны называется расстояние, на которое распространяется волна за время, равное периоду колебаний в ней.
Т.к. = const для данной среды, то
Из графика видно, что длина волны – это расстояние между двумя соседними гребнями или двумя впадинами.
Значит, можно записать, что 
, а следовательно
При переходе волны из одной среды в другую её частота не изменяется, меняется лишь скорость и длина волны.
К сожалению, часто мы слышим о землетрясениях.
Волны, которые образуются в земной коре при различных тектонических процессах – называются сейсмическими.
6. Закрепление изученного материала.
Что может являться источником волн?
Происходит ли в волне перенос энергии? А вещества?
На какие виды делят механические волны в зависимости от того, в каком
направлении частицы совершают колебания?
Могут ли поперечные волны распространяться в жидкости или газе? А почему?
Где могут возникать продольные волны? А поперечные?
С какими характеристиками волн мы сегодня познакомились?
Какая из них при переходе механической волны из одной среды в другую не
изменяется?
Задание. Определить по графику характеристики волн (какие возможно). Определить
длину волны, если известно, что скорость её распространения 20 м/с.
Ответ: А = 0,1 м; Т = 0,4 с; ν = 2,5 Гц; 8 м.
Задача 1. Расстояние между ближайшими гребнями волны в море 20 м. С какой скоростью распространяется волна, если период колебаний частиц в волне 10 с?
Решение:
Задача 2. Длина волны равна 2 м, а скорость её распространения 400 м/с. Определить, сколько полных колебаний совершает эта волна за 0,1 с.
Решение:
7. Подведение итогов урока. Оценивание учащихся.
8. Домашнее задание: Белага §§ 14, 15 (читать), выучить конспект, решить задачи
Для желающих: подготовить доклад или презентацию на одну из тем:
«Землетрясения», «Цунами», «Животные – индикаторы
приближающегося землетрясения».
Задача 1. Рыболов заметил, что за 5с поплавок совершил на волнах 10 колебаний, а
расстояние между соседними горбами волн 1м. Какова скорость
распространения волн?
Задача 2. Частота колебаний в волне 10000Гц, а длина волны 2 мм. Определить скорость