A hullámok mindenhol körülvesznek bennünket, hiszen a mozgás és a hangzás világában élünk. Mi a hullámfolyamat természete, mi a lényege a hullámfolyamatok elméletének? Nézzük ezt egy kísérleti példán keresztül.
A hullámok fogalma a fizikában
Sok folyamat általános fogalma a hang jelenléte. Definíció szerint a hang a hallószerveink által érzékelt levegő vagy más közeg által létrehozott gyors rezgőmozgások eredménye. Ennek a definíciónak a ismeretében folytathatjuk a „hullámfolyamat” fogalmát. Számos kísérlet létezik, amelyek lehetővé teszik, hogy vizuálisan megvizsgálja ezt a jelenséget.
A fizikában vizsgált hullámfolyamatok rádióhullámok, hanghullámok, kompressziós hullámok formájában figyelhetők meg a hangszálak használatakor. A levegőben terjednek.
A koncepció vizuális meghatározásához dobjon egy követ a tócsába, és jellemezze az effektusok terjedését. Ez egy példa a gravitációs hullámra. Ez a folyadék felemelkedése és süllyedése miatt következik be.
Akusztika
Egy egész "Akusztika" című szakaszt szentelnek a hang fizikai tulajdonságainak tanulmányozásának. Lássuk, mire jellemző. Koncentráljunk a dolgokra ésfolyamatok, amelyekben még nem minden világos, olyan problémákról, amelyek még megoldásra várnak.
Az akusztikának, akárcsak a fizika többi ágának, még mindig sok megfejtetlen rejtélye van. Még ki kell nyitni őket. Tekintsük a hullámfolyamatot az akusztikában.
Hang
Ez a fogalom a közeg részecskéi által előidézett oszcilláló mozgások jelenlétéhez kapcsolódik. A hang a hullámok megjelenésével összefüggő oszcillációs folyamatok sorozata. A tömörítés és ritkítás közegében történő képződés során hullámfolyamat megy végbe.
A hullámhossz-mutatók a közeg természetétől függenek, ahol az oszcillációs folyamatok végbemennek. Szinte minden természetben előforduló jelenség összefügg a környezetben terjedő hangrezgések és hanghullámok jelenlétével.
Példák a hullámfolyamat meghatározására a természetben
Ezek a mozgások tájékoztathatnak a hullámfolyamat jelenségéről. A magas frekvenciájú hanghullámok több ezer kilométert is megtehetnek, például amikor egy vulkán kitör.
Földrengéskor erős akusztikus és geoakusztikus rezgések lépnek fel, amelyeket speciális hangvevők regisztrálhatnak.
Egy víz alatti földrengés során egy érdekes és szörnyű jelenség játszódik le - a cunami, amely egy hatalmas hullám, amely az elemek erőteljes föld alatti vagy víz alatti megnyilvánulása során keletkezett.
Az akusztikának köszönhetően információkat kaphat arról, hogy cunami közeledik. Sok ilyen jelenség már régóta ismert. De egészen mostanáig a fizika néhány fogalmaalapos tanulmányozást igényelnek. Ezért a még meg nem fejtett rejtélyek tanulmányozása során a hanghullámok segítenek.
A tektonika elmélete
A 18. században megszületett a "katasztrófa-hipotézis". Abban az időben az "elem" és a "szabályszerűség" fogalma nem kapcsolódott össze. Aztán felfedezték, hogy az óceán fenekének kora sokkal fiatalabb, mint a szárazföldé, és ez a felszín folyamatosan frissül.
A Föld újszerű pillantásának köszönhetően ez az őrült hipotézis a „litoszféralemezek tektonikája” elméletté nőtte ki magát, amely szerint a földköpeny mozog, az égbolt pedig lebeg. Ez a folyamat hasonló az örök jég mozgásához.
A leírt folyamat megértéséhez fontos, hogy megszabaduljunk a sztereotípiáktól és a megszokott nézetektől, hogy más léttípusokat valósítsunk meg.
További fejlődés a tudományban
A földi geológiai életnek megvan a maga ideje és halmazállapota. A tudománynak sikerült újrateremtenie a hasonlóságot. Az óceán feneke folyamatosan mozog, szakadásokat és gerincképződményeket okozva, miközben új anyag emelkedik a föld mélyéről a felszínre és fokozatosan lehűl.
Ebben az időben olyan folyamatok mennek végbe a szárazföldön, amikor a litoszféra kolosszális lemezei lebegnek a földköpeny felszínén – a föld felső kőhéján, amely a kontinenseket és a tengerfenéket hordozza.
Az ilyen lemezek száma körülbelül tíz. A köpeny nyugtalan, ezért a litoszféra lemezei mozogni kezdenek. Laboratóriumi körülmények között ez a folyamat kecses élménynek tűnik.
A természetben geológiai katasztrófával fenyeget- földrengés. A litoszféra lemezek mozgásának oka a föld mélyén fellépő globális konvekciós folyamatok. A forrongás eredménye cunami lesz.
Japán
A Föld más szeizmikusan veszélyes területei között Japán különleges helyet foglal el, ezt a szigetláncot "tűzövnek" nevezik.
A föld égboltjának leheletét szorosan követve megjósolható a közelgő katasztrófa. Az oszcillációs folyamatok tanulmányozására egy ultramély fúróberendezést vezettek be a föld vastagságába. 12 km-es mélységig hatolt be, és lehetővé tette a tudósok számára, hogy következtetéseket vonjanak le bizonyos kőzetek jelenlétéről a Földön.
Az elektromágneses hullám sebességét a 9. osztály fizikaóráin tanulják. Mutasson tapasztalatot egymástól egyenlő távolságra elhelyezett súlyokkal. Ezeket a szokásos formájú azonos rugók kötik össze.
Ha az első súlyt egy bizonyos távolságra jobbra tolja, a második egy ideig ugyanabban a helyzetben marad, de a rugó már kezd összenyomódni.
A "hullám" kifejezés meghatározása
Mióta egy ilyen folyamat lezajlott, olyan rugalmas erő keletkezett, amely a második súlyt nyomja. Gyorsulást kap, egy idő után felveszi a sebességet, ebbe az irányba mozog, és összenyomja a rugót a második és harmadik súly között. A harmadik viszont gyorsulást kap, gyorsulni kezd, eltolódik és befolyásolja a negyedik rugót. Így a folyamat a rendszer minden elemén lezajlik.
Ebben az esetben a második terhelés elmozdulása menténaz idő később következik be, mint az első. A hatás mindig elmarad az ok mögött.
A második terhelés elmozdulása a harmadik elmozdulását is magával vonja. Ez a folyamat jobbra terjed.
Ha az első súly ingadozni kezdett a harmonikus törvény szerint, akkor ez a folyamat átterjed a második súlyra, de késleltetett reakcióval. Ezért, ha az első súlyt rezgésbe hozza, akkor olyan rezgést kaphat, amely idővel térben terjed. Ez a hullám definíciója.
Változatos hullámok
Képzeljünk el egy anyagot, amely atomokból áll, ezek a következők:
- van tömege – mint a kísérletben javasolt súlyok;
- csatlakoznak egymáshoz, szilárd testet alkotva kémiai kötéseken keresztül (a rugóval végzett kísérletben leírtak szerint).
Ebből az következik, hogy az anyag egy tapasztalati modellre hasonlító rendszer. Képes mechanikai hullámot terjeszteni. Ez a folyamat a rugalmas erők kialakulásához kapcsolódik. Az ilyen hullámokat gyakran "ugrálósnak" nevezik.
Kétféle rugalmas hullám létezik. Meghatározásukhoz vegyen egy hosszú rugót, rögzítse az egyik oldalon, és feszítse ki jobbra. Látható tehát, hogy a hullámterjedés iránya a rugó mentén van. A közeg részecskéi ugyanabba az irányba mozognak.
Egy ilyen hullámban a részecskék lengési irányának természete egybeesik a hullámterjedés irányával. Ezt a koncepciót "hosszirányú hullámnak" nevezik.
Ha kinyújtod a rugót és időt adsz neki, hogy jöjjönnyugalmi állapotba, majd élesen változtassa meg a helyzetét függőleges irányban, látni fogja, hogy a hullám a rugó mentén terjed, és sokszor visszaverődik.
De a részecskék oszcillációs iránya most függőleges, a hullámterjedés pedig vízszintes. Ez egy keresztirányú hullám. Csak szilárd testekben létezhet.
A különböző típusú elektromágneses hullámok sebessége eltérő. Ezt a tulajdonságot a szeizmológusok sikeresen használják a földrengésforrások távolságának meghatározására.
A hullám terjedésekor a részecskék végig- vagy keresztben oszcillálnak, de ez nem jár együtt anyagátadással, hanem csak mozgással. Tehát a "Fizika" tankönyv 9. évfolyama jelzi.
A hullámegyenlet jellemzése
A hullámegyenlet a fizikatudományban egyfajta lineáris hiperbolikus differenciálegyenlet. Más, az elméleti fizika által lefedett területeken is használják. Ez az egyik olyan egyenlet, amelyet a matematikai fizika a számításokhoz használ. Különösen a gravitációs hullámokat írják le. A folyamatok leírására szolgál:
- akusztikában, általában lineáris típus;
- az elektrodinamikában.
A homogén hullámegyenlet többdimenziós esetére a hullámfolyamatok jelennek meg.
A különbség a hullám és a hinta között
Figyelemre méltó felfedezések születnek egy hétköznapi jelenségről való gondolkodásból. Galilei szíve dobogását vette mércének. Így felfedezték az inga rezgésének folyamatának állandóságát - a mechanika egyik fő rendelkezését. Aztabszolút csak matematikai ingára - ideális oszcillációs rendszerre, amelyet a következő jellemez:
- egyensúlyi pozíció;
- erő, amely visszaállítja a testet egyensúlyi helyzetébe, amikor eltér;
- energia-átmenetek fluktuáció esetén.
A rendszer egyensúlyból való kimozdításához szükséges az oszcillációk előfordulásának feltétele. Ebben az esetben egy bizonyos energiát jelentenek. A különböző vibrációs rendszerek különböző típusú energiát igényelnek.
Az oszcilláció olyan folyamat, amelyet a rendszer mozgásainak vagy állapotainak állandó ismétlődése jellemez bizonyos időszakokban. Az oszcillációs folyamat egyértelmű demonstrációja a lengő inga példája.
Oszcillációs és hullámfolyamatok szinte minden természeti jelenségnél megfigyelhetők. A hullámnak az a funkciója, hogy megzavarja vagy megváltoztatja a közeg állapotát, terjed a térben és energiát hordoz anélkül, hogy anyagátvitelre lenne szüksége. Ez a hullámfolyamatok sajátos tulajdonsága, a fizikában régóta tanulmányozták őket. A kutatás során kiemelheti a hullámhosszt.
A hanghullámok minden szférában létezhetnek, nem csak vákuumban léteznek. Az elektromágneses hullámok különleges tulajdonságokkal rendelkeznek. Bárhol létezhetnek, még légüres térben is.
Egy hullám energiája az amplitúdójától függ. A forrásból terjedő körhullám energiát szór szét a térben, így az amplitúdója gyorsan csökken.
A lineáris hullámnak érdekes tulajdonságai vannak. Energiája tehát nem oszlik el a térbenaz ilyen hullámok amplitúdója csak a súrlódási erő hatására csökken.
A hullámterjedés irányát sugarak ábrázolják – vonalak, amelyek merőlegesek a hullámfrontra.
A beeső sugár és a normál közötti szög a beesési szög. A normál és a visszavert sugár között van a visszaverődés szöge. E szögek egyenlősége megmarad az akadálynak a hullámfronthoz viszonyított bármely pozíciójában.
Ha az ellenkező irányba mozgó hullámok találkoznak, állóhullám alakulhat ki.
Eredmények
A közeg részecskéi az állóhullám szomszédos csomópontjai között ugyanabban a fázisban oszcillálnak. Ezek a hullámfolyamat hullámegyenletekben rögzített paraméterei. Amikor a hullámok találkoznak, amplitúdójuk növekedése és csökkenése egyaránt megfigyelhető.
A hullámfolyamat főbb jellemzőinek ismeretében egy adott pontban meg lehet határozni a keletkező hullám amplitúdóját. Határozzuk meg, hogy az első és a második forrásból érkező hullám melyik fázisban érkezik erre a pontra. Ráadásul a fázisok ellentétesek.
Ha az útkülönbség páratlan számú félhullám, akkor az eredményül kapott hullám amplitúdója ezen a ponton minimális lesz. Ha az útkülönbség nulla vagy egy egész számú hullámhossz, akkor a találkozási pontban az eredményül kapott hullám amplitúdójának növekedése figyelhető meg. Ez egy interferenciaminta, amikor két forrásból származó hullámokat adunk hozzá.
Az elektromágneses hullámok frekvenciáját a modern technológia rögzítette. A vevőkészüléknek gyenge elektromágneses hullámokat kell regisztrálnia. Ha feltesz egy reflektort, több hullámenergia kerül a vevőbe. A reflektorrendszer úgy van felszerelve, hogy a maximumot hozza létrejelet a vevő eszközön.
A hullámfolyamat jellemzői a fény természetére és az anyag szerkezetére vonatkozó modern elképzelések hátterében állnak. Így egy 9. osztályos fizika tankönyvben tanulva sikeresen elsajátíthatja a mechanika területéről a feladatok megoldását.
