- •Основы кинематики.
- •1.2. Основы динамики.
- •1.3. Законы сохранения в механике.
- •1.4. Механика твердого тела.
- •1.5. Релятивистская динамика.
- •2. Замедление времени. ,
- •1.6. Механические колебания
- •Свободные гармонические незатухающие колебания.
- •3. Вынужденные колебания. Резонанс.
- •2. Свободные затухающие колебания
- •Механические волны.
- •1.8. Основы молекулярно-кинетической теории вещества
- •1.9. Функции распределения максвелла и больцмана.
- •1.10. Основы термодинамики
- •2.1. Электрическое поле в вакууме
- •2.2. Электрическое поле в веществе.
- •Электрический ток.
- •2.4. Магнитное поле в вакууме.
- •Магнитное поле в веществе
- •2.6. Основы теории электромагнитного поля.
- •Ток смещения
- •2. Всякое изменяющееся во времени электрическое поле порождает вихревое магнитное поле.
- •Электромагнитные колебания
- •2.8. Электромагнитные волны.
- •Интерференция и дифракция света .
- •3.2. Поляризация и дисперсия света.
- •3.3. Тепловое излучение.
- •3.4. Фотоэффект. Эффект комптона. Давление света.
- •3.5. Основные положения квантовой механики.
- •3.6. Квантовая теория атома.
- •3.7. Элементы физики твердого тела.
- •3.8. Ядро атома.
- •3.9. Элементарные частицы.
Механические волны.
Явление распространения колебаний в пространстве называется волновым движением или волной.
Уравнение волны выражает зависимость смещения Ψ колеблющейся точки, участвующей в волновом процессе, от ее координаты х и времени t.
Волна называется продольной, если колебания частиц происходят вдоль линии распространения волны; если колебания частиц перпендикулярны к направлению распространения волны, то волна называется поперечной.
Геометрическое место точек, до которых к некоторому моменту времени дошло колебание, называется фронтом волны. Можно также в среде выделить геометрическое место точек, колеблющихся в одинаковых фазах. Эта совокупность точек образует поверхность одинаковых фаз или волновую поверхность. Форма фронта волны определяет тип волн, например, у сферической волны фронт представляет собой сферу.
Скорость распространения волны есть скорость распространения данной фазы (волновой поверхности). Ее называют фазовой скоростью υ волны.
Расстояние, на которое определенная фаза колебания распространяется за один период Т колебания, называется длиной волны λ =υ·T.
Простейшим видом волн является плоская волна. Колебания частиц среды в ней происходят в плоскостях, перпендикулярных к направлению распространения. Если колебания в каждой точке следуют гармоническому закону и происходят с одной частотой, то волна называется гармонической и монохроматической.
Уравнение
плоской волны, распространяющейся
в положительном направлении оси х,
имеет
вид:
(17),
(А–
амплитуда
колебаний
точек среды) и характеризует смещение
колеблющейся точки, расположенной на
расстоянии x
от источника колебаний. Так
как ω=2π/T,
то:
(18).
Здесь
k=2π/λ=2π/(υ·T)=2πν/υ=ω/υ
называется
волновым
числом
и
является модулем волнового вектора
,
указывающего направление распространения
волны.
Уравнение
волны в виде (18) – одно из возможных
решений общего дифференциального
уравнения,
описывающего распространение возмущения
в среде. Это общее уравнение называется
волновым
уравнением. Его
можно получить,
взяв от функции Ψ
вторые производные
по х
и
t,:
(19),
где
учтено, что в данном случае производные
являются
частными и сделана замена
Выражение (19)
справедливо для
волн любой природы.
Вещество
вместе с волной не переносится. Частицы
вещества
только колеблются, каждая около своего
положения равновесия.
Колебания передаются вдоль направления
распространения волны,
вместе с ними передается и их энергия.
Для описания этого процесса вводят
вектор
плотности потока энергии (вектор
Умова)
,
который направлен в сторону распространения
волны, а его модуль равен энергии,
переносимой
волной через единицу площади за единицу
времени.
В
ыделим
на фронте плоской волны (рис.) единичную
площадку
S.
Через
единицу времени фронт сместится на
расстояние,
равное скорости распространения волны
υ
и
займет положение
S
’.
Если в единице объема содержится энергия
w
(плотность
энергии), то за единицу времени через
сечение S
’=
1 пройдет
вся энергия, заключенная в объеме между
сечениями S
и
S
’
,
т.
е. w·υ.
Это
и есть вектор Умова, если записать в
векторной форме:
.
Он
измеряется в Дж/(с·м2)
или, что то же самое, в Вт/м2.
Эта
формула
справедлива не только для механических
волн, но и для волн
любой природы, например электромагнитных.
Объемную плотность энергии w упругой волны получим, если рассмотрим в какой-либо области пространства колебание частиц среды объемом dV и массой dm=ρ·dV. Полная энергия колебаний этих частиц, согласно (7), будет равна:
(20),
где ρ – плотность вещества среды; ω – частота колебаний, А – амплитуда колебаний.
Откуда
следует, что :
(Дж/м3)
(21).
.
В
самом общем случае энергия волны,
заключенная в некотором объеме V,
согласно (21), рассчитывается по формуле:
(22).
