Механические колебания и волны

Колебательное движение

Особый вид неравномерного движения - колебательное. Это движение, которое повторяется с течением времени.
Механические колебания - это движения, которые повторяются через определенные промежутки времени
Если промежутки времени одинаковые, то такие колебания называются периодическими.
Колебания, которые происходят в замкнутых системах называются свободными или собственными колебаниями (происходят благодаря начальному запасу энергии). Колебания, которые происходят под действием внешних сил, называют вынужденными. Встречаются также автоколебания (вынуждаются автоматически).
Если рассматривать колебания согласно изменяющихся характеристик (амплитуда, частота, период и др.), то их можно разделить на гармонические, затухающие, нарастающие (а также пилообразные, прямоугольные, сложные).
При свободных колебаниях в реальных системах всегда происходят потери энергии. Механическая энергия расходуется, например, на совершение работы по преодолению сил сопротивления воздуха. Под влиянием силы трения происходит уменьшение амплитуды колебаний, и через некоторое время колебания прекращаются. Очевидно, что чем больше силы сопротивления движению, тем быстрее прекращаются колебания.
Система тел, которая способна совершать свободные колебания, называется колебательной системой

Величины, характеризующие колебательное движение

Амплитудой колебаний называется наибольшее по модулю отклонение колеблющегося тела от положения равновесия
Промежуток времени, в течении которого тело совершает одно полное колебание, называется периодом колебаний
Число колебаний в единицу времени называет частотой колебаний
Фаза определяет состояние системы в конкретный момент времени

Вынужденные колебания. Резонанс

Вынужденные колебания являются незатухающими. Поэтому необходимо восполнять потери энергии за каждый период колебаний. Для этого необходимо воздействовать на колеблющееся тело периодически изменяющейся силой. Вынужденные колебания совершаются с частотой, равной частоте изменения внешней силы.
Амплитуда вынужденных механических колебаний достигает наибольшего значения в том случае, если частота вынуждающей силы совпадает с частотой колебательной системы. Это явление называется резонансом.
Резонанс

Обработка видео...

Гармонические колебания. Маятника.

Периодические изменения во времени физической величины, происходящие по закону синуса или косинуса, называются гармоническими колебаниями

Математический маятник

Это материальная точка, подвешенная на тонкой нерастяжимой и невесомой нити.
Если отклонить маятник от положения равновесия, то сила тяжести и сила упругости будут направлены под углом. Равнодействующая сила уже не будет равна нулю. Под воздействием этой силы маятник устремится к положению равновесия, но по инерции движение продолжится и маятник отклоняется в другую сторону. Равнодействующая сила его снова возвращает. Далее процесс повторяется.
Период колебаний математического маятника зависит от его длины, определяется по формуле
Важно где происходят колебания! На Луне и на Земле один и тот же математический маятник при одинаковых начальных условиях колебаться будет по-разному. Так как ускорение свободного падения на Луне отличается от ускорения свободного падения на Земле.
При колебательном движении соблюдается закон сохранения энергии
Рассмотрим на примере математического маятника.
Когда маятник отклоняют на высоту h, его потенциальная энергия максимальная. Когда маятник опускается, потенциальная энергия переходит в кинетическую. Причем в нижней точке, где потенциальная энергия равна нулю, кинетическая энергия максимальная и равна потенциальной энергии в верхней точке. Скорость груза в этой точке максимальная.

Пружинный маятник

Это груз, прикрепленный к пружине, массой которой можно пренебречь. Пока пружина не деформирована, сила упругости на тело не действует. В пружинном маятнике колебания совершаются под действием силы упругости.
Гармонические колебания

Обработка видео...

Колебания маятника

Обработка видео...

Физический маятник

Обработка видео...

Механические волны

Если тело находится в упругой среде, то колебательное движение деформирует эту среду. Из-за взаимодействия соседних частиц среды деформация передается от одних участков к другим. Это и есть волна.
Волна - это возмущение, распространяющиеся в пространстве, удаляясь от места возникновения
Например, волна на озере, если бросить камень: камень вызывает деформацию, которая распространяется в упругой среде - воде.
Волны могут быть поперечными и продольными.
Продольными волными называются волны, в которых колебания происходят вдоль направления их распространения. Такие волны могут распространятся в любых средах - твердых, жидких и газообразных.
Поперечными волными называются волны, в которых колебания происходят перпендикулярно направлению их распространения. Поперечные волны могут существовать только в твердых телах.

Характеристики волны

Длина волны - это расстояние между двумя ближайшими горбами или впадинами поперечной волны, или расстояние между двумя ближайшими сгущениями или разрежениями продольной волны.
Скорость волны - это скорость распространения колебаний.
Скорость распространения волны и длина волны зависят от среды, в которой они распространяются. Наибольшая скорость распространения волн в твердых телах, наименьшая - в газах.

Звуковая волна

Звук - это упругие волны в среде (часто в воздухе), которые невидимы, но воспринимаемые человеческим ухом (волна воздействует на барабанную перепонку уха). Звуковая волна является продольной волной сжатия и разрежения
Если создать вакуум, то будем ли мы различать звуки? Роберт Бойль в 1660 году поместил часы в стеклянный сосуд. Откачав воздух, он не услышал звука. Опыт доказывает, что для распространения звука необходима среда.
Возникновение звука

Обработка видео...

Звук может также распространятся в жидкой и твердой среде. Под водой хорошо слышны удары камней. Положим часы на один конец деревянной доски. Приложив ухо к другому концу, можно ясно услышать тиканье часов.
Источник звука - это обязательно колеблющиеся тела. Например, струна на гитаре в обычном состоянии не звучит, но стоит нам заставить ее совершать колебательные движения, как возникает звуковая волна.
Однако опыт показывает, что не всякое колеблющееся тело является источником звука. Например, не издает звук грузик, подвешенный на нити. Дело в том, что человеческое ухо воспринимает не все волны, а только те, которые создают тела, колеблющиеся с частотой от 16Гц до 20000Гц. Такие волны называются звуковыми. Колебания с частотой меньше 16Гц называется инфразвуком. Колебания с частотой больше 20000Гц называются ультразвуком.
Распространение звука в различных средах

Обработка видео...

Скорость звука

Скорость звука

Обработка видео...


Звуковые волны распространяются не мгновенно, а с некоторой конечной скоростью (аналогично скорости равномерного движения).
Именно поэтому во время грозы мы сначала видим молнию, то есть свет (скорость света гораздо больше скорости звука), а затем доносится звук.
Скорость звука зависит от среды: в твердых телах и жидкостях скорость звука значительно больше,чем в воздухе. Это табличные измеренные постоянные. С увеличением температуры среды скорость звука возрастает, с уменьшением - убывает.

Звуковые явления

Эхо. Эхо образуется в результате отражения звука от различных преград - гор, леса, стен, больших зданий и т.п. Эхо возникает только в том случае, когда отраженный звук воспринимается раздельно от первоначально произнесенного звука. Если отражающих поверхностей много и они находятся на разных расстояниях от человека, то отраженные звуковые волны дойдут до него в разные моменты времени. В этом случае эхо будет многократным. Препятствие должно находится на расстоянии 11м от человека, чтобы можно было услышать эхо.
Отражение звука. Звук отражается от гладких поверхностей. Поэтому при использовании рупора звуковые волны не рассеиваются во все стороны, а образуют узконаправленный пучок, за счет чего мощность звука увеличивается, и он распространяется на большее расстояние.
Некоторые животные (например, летучая мышь, дельфин) издают ультразвуковые колебания, затем воспринимают отраженную волну от препятствий. Так они определяют местоположение и расстояние до окружающих предметов.
Отражение звука: эхо и эхолот

Обработка видео...

Примеры решения задач

Механические колебания и волны (Решение задач)

Обработка видео...

МЕХАНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ

Размер файла: 339.39 кб

Задачи разобранные в видеоуроке

Перейти

 
Источники:
Пёрышкин А. В., Гутник Е. М. Физика, 9 кл.: учебник. — М.: Дрофа, 2014. — 319 с.
Канал "GetAClass - Физика в опытах и экспериментах" (https://www.youtube.com/getaclassrus)
"ЯКласс" (https://www.yaklass.ru)
"FizMat" (http://fizmat.by)