Основные формулы по физике - колебания и волны. Формы световых волн и виды их колебаний. Длина волны. Амплитуда, период, частота и фаза колебаний. Связь длины волны с частотой Связь частоты и длины волны света

Тело, колеблющееся в упругой среде, создает возмущение, которое передается от одной точки к другой и носит название волны. Происходит это с определенной скоростью, которая считается скоростью ее распространения. То есть это величина, характеризующая расстояние, проходимое любой точкой волны за единичный отрезок времени.

Пусть волна движется вдоль одной из осей (например, горизонтальной). Ее форма повторяется в пространстве через определенное время, т. е. профиль волны перемещается вдоль оси распространения со скоростью, имеющей постоянное значение. За время, соответствующее ее фронт сместится на расстояние, именуемое длиной волны.

Получается, длина волны - то самое расстояние, которое "пробегает" ее фронт за отрезок времени, равный периоду колебаний. Для наглядности представим себе волну в том виде, в каком ее обычно изображают на рисунках. Все мы помним, как выглядят, например, Ветер гонит их вдоль моря, и каждая волна имеет гребень и самую низкую точку (минимум), причем и те, и другие постоянно перемещаются и сменяют друг друга. Точки, лежащие в одной фазе, - это вершины двух соседних гребней (примем допущение, что гребни имеют одинаковую высоту и движение происходит с постоянной скоростью) или две самые низкие точки соседних волн. Длина волны - как раз и есть расстояние между такими точками (двумя соседними гребнями).

В виде волн могут распространяться все - тепловая, световая, звуковая. Все они имеют разную длину. Например, проходя через атмосферу, звуковые волны слегка меняют давление воздуха. Области максимального давления соответствуют максимумам звуковых волн. Благодаря своему строению человеческое ухо улавливает эти изменения давления и посылает сигналы в мозг. Таким образом мы слышим звук.

Длина звуковой волны определяет ее свойства. Чтобы найти ее, необходимо (измеряемую в м/сек) поделить на частоту в Гц. Пример: при частоте 688 Гц звуковая волна движется со скоростью 344 м/сек. Длина волны при этом будет равна 344: 688=0.5 м. Известно, что скорость распространения волны в одной и той же среде не меняется, следовательно, ее длина будет зависеть от частоты. Низкочастотные имеют длину волны больше, чем высокочастотные.

Примером другой разновидности электромагнитного излучения может служить световая волна. Свет - часть электромагнитного спектра, видимая нашему глазу. Длина световой волны, которую может воспринимать человеческое зрение, лежит в пределах от 400 до 700 нм (нанометров). По обе стороны от видимого диапазона спектра лежат области, не воспринимаемые нашим глазом.

Ультрафиолетовые волны имеют длину, меньшую, чем длина видимой части спектра. Хотя человеческий глаз не в состоянии их видеть, но, тем не менее, они способны нанести нашему зрению немалый вред.

Длина волны больше той максимальной длины, которую мы способны увидеть. Эти волны улавливаются специальным оборудованием и используются, например, в камерах ночного видения.

Среди лучей, доступных нашему зрению, самой малой длиной обладает луч фиолетового цвета, самой большой - красный. В промежутке между ними лежит весь доступный взгляду спектр (вспомним радугу!)

Как мы воспринимаем цвета? Лучи света, имеющие определенную длину, попадают на сетчатку глаза, имеющую светочувствительные рецепторы. Эти рецепторы передают сигналы непосредственно в наш мозг, где формируется ощущение определенного цвета. Какие именно цвета мы видим - зависит от длин волн падающих лучей, а яркость цветового ощущения определяется интенсивностью излучения.

Все предметы, окружающие нас, имеют способность отражать, пропускать либо поглощать падающий свет (полностью или частично). Например, зеленый цвет листвы означает, что из всего диапазона отражаются в основном лучи зеленого цвета, остальные поглощаются. Прозрачные предметы имеют свойство задерживать излучения определенной длины, что используется, например, в фотографии фильтров).

Таким образом, цвет предмета говорит нам о способности отражать волны определенной части спектра. Предметы, отражающие весь спектр, мы видим белыми, поглощающие все лучи - черными.

Длина волны – это расстояние между двумя соседними точками, которые колеблются в одной фазе; как правило, понятие "длина волны" ассоциируется с электромагнитным спектром. Метод вычисления длины волны зависит от данной информации. Воспользуйтесь основной формулой, если известны скорость и частота волны. Если нужно вычислить длину световой волны по известной энергии фотона, воспользуйтесь соответствующей формулой.

Шаги

Часть 1

Вычисление длины волны по известным скорости и частоте

Воспользуйтесь формулой для вычисления длины волны. Чтобы найти длину волны, разделите скорость волны на частоту. Формула: λ = v f {\displaystyle \lambda ={\frac {v}{f}}}

Используйте соответствующие единицы измерения. Скорость измеряется в единицах метрической системы, например, в километрах в час (км/ч), метрах в секунду (м/с) и так далее (в некоторых странах скорость измеряется в британской системе, например, в милях в час). Длина волны измеряется в нанометрах, метрах, миллиметрах и так далее. Частота, как правило, измеряется в герцах (Гц).

• Единицы измерения конечного результата должны соответствовать единицам измерения исходных данных.
• Если частота дана килогерцах (кГц), или скорость волны в километрах в секунду (км/с), преобразуйте данные значения в герцы (10 кГц = 10000 Гц) и в метры в секунду (м/с).

1. Известные значения подставьте в формулу и найдите длину волны. В приведенную формулу подставьте значения скорости и частоты волны. Разделив скорость на частоту, вы получите длину волны.

   Воспользуйтесь приведенной формулой, чтобы вычислить скорость или частоту. Формулу можно переписать в другом виде и вычислить скорость или частоту, если дана длина волны. Чтобы найти скорость по известным частоте и длине волны, используйте формулу: v = λ f {\displaystyle v={\frac {\lambda }{f}}} . Чтобы найти частоту по известным скорости и длине волны, используйте формулу: f = v λ {\displaystyle f={\frac {v}{\lambda }}} .

   Часть 2

   Вычисление длины волны по известной энергии фотона

   1. Вычислите длину волны по формуле для вычисления энергии фотона. Формула для вычисления энергии фотона: E = h c λ {\displaystyle E={\frac {hc}{\lambda }}} , где E {\displaystyle E} – энергия фотона, измеряемая в джоулях (Дж), h {\displaystyle h} – постоянная Планка, равная 6,626 x 10 -34 Дж∙с, c {\displaystyle c} – скорость света в вакууме, равная 3 x 10 8 м/с, λ {\displaystyle \lambda } – длина волны, измеряемая в метрах.

      • В задаче энергия фотона будет дана.

   2. Перепишите представленную формулу, чтобы найти длину волны. Для этого проделайте ряд математических операций. Обе стороны формулы умножьте на длину волны, а затем обе стороны разделите на энергию; вы получите формулу: λ = h c E {\displaystyle \lambda ={\frac {hc}{E}}} . Если энергия фотона известна, можно вычислить длину световой волны.

Под скоростью волны понимают ско-рость распространения возмущения. Например, удар по торцу стального стержня вызывает в нем местное сжатие, которое затем распространяется вдоль стержня со скоростью около 5 км/с .

Скорость волны определяется свойствами среды, в которой эта волна распространяется. При переходе волны из одной среды в другую ее скорость изменяется.

Длиной волны называется расстояние, на которое распространяется волна за время, равное периоду колебаний в ней.

Поскольку скорость волны — величина постоянная (для данной среды), то пройденное волной расстояние равно произведению скорости на время ее распространения. Таким образом, чтобы найти длину волны, надо скорость волны умножить на период колебаний в ней:

где v — скорость волны, Т — период колебаний в волне, λ (греческая буква лямбда) — длина волны.

Формула выражает связь длины волны с ее скоростью и периодом. Учитывая, что пери-од колебаний в волне обратно пропорционален частоте v , т. е. Т = 1/ v , можно получить формулу, выражающую связь длины волны с ее скоростью и частотой:

,

откуда

Полученная формула показывает, что скорость волны равна произведению длины волны на частоту колебаний в ней.

Длина волны — это пространственный период волны. На графике волны (рис. выше) длина волны определяется как расстояние между двумя ближайшими точками гармонической бегущей волны , находящимися в одинаковой фазе колебаний. Это как бы мгновенные фотогра-фии волн в колеблющейся упругой среде в моменты времени t и t + Δt . Ось х совпадает с направле-нием распространения волны, на оси ординат отложены смещения s колеблющихся частиц среды.

Частота колебаний в волне совпадает с частотой колебаний источника, т. к. колебания час-тиц в среде являются вынужденными и не зависят от свойств среды, в которой распространяется волна. При переходе волны из одной среды в другую ее частота не изменяется, меняются лишь скорость и длина волны.

В ходе урока вы сможете самостоятельно изучить тему «Длина волны. Скорость распространения волны». На этом уроке вы сможете познакомиться с особенными характеристиками волн. В первую очередь вы узнаете, что такое длина волны. Мы рассмотрим ее определение, способ ее обозначения и измерения. Затем мы также подробно рассмотрим скорость распространения волны.

Для начала вспомним, что механическая волна – это колебание, которое распространяется с течением времени в упругой среде. Раз это колебание, волне будут присущи все характеристики, которые соответствуют колебанию: амплитуда, период колебания и частота.

Кроме этого, у волны появляются свои особые характеристики. Одной из таких характеристик является длина волны . Обозначается длина волны греческой буквой (лямбда, или говорят «ламбда») и измеряется в метрах. Перечислим характеристики волны:

Что такое длина волны?

Длина волны - это наименьшее расстояние между частицами, совершающими колебание с одинаковой фазой.

Рис. 1. Длина волны, амплитуда волны

Говорить о длине волны в продольной волне сложнее, потому что там пронаблюдать частицы, которые совершают одинаковые колебания, гораздо труднее. Но и там есть характеристика - длина волны , которая определяет расстояние между двумя частицами, совершающими одинаковое колебание, колебание с одинаковой фазой.

Также длиной волны можно назвать расстояние, пройденное волной, за один период колебания частицы (рис. 2).

Рис. 2. Длина волны

Следующая характеристика - это скорость распространения волны (или просто скорость волны). Скорость волны обозначается так же, как и любая другая скорость, буквой и измеряется в . Как наглядно объяснить, что такое скорость волны? Проще всего это сделать на примере поперечной волны.

Поперечная волна - это волна, в которой возмущения ориентированы перпендикулярно направлению ее распространения (рис. 3).

Рис. 3. Поперечная волна

Представьте себе летящую над гребнем волны чайку. Ее скорость полета над гребнем и будет скоростью самой волны (рис.4).

Рис. 4. К определению скорости волны

Скорость волны зависит от того, какова плотность среды, каковы силы взаимодействия между частицами этой среды. Запишем связь между скоростью волны, длиной волны и периодом волны: .

Скорость можно определить, как отношение длины волны, расстояние, пройденное волной за один период, к периоду колебания частиц среды, в которой распространяется волна. Кроме этого, вспомним, что период связан с частотой следующим соотношением:

Тогда получим соотношение, которое связывает скорость, длину волны и частоту колебаний: .

Мы знаем, что волна возникает в результате действия внешних сил. Важно заметить, что при переходе волны из одной среды в другую изменяются ее характеристики: скорость движения волн, длина волны. А вот частота колебания остается прежней.

Список литературы

1. Соколович Ю.А., Богданова Г.С. Физика: справочник с примерами решения задач. - 2-е издание передел. - X.: Веста: издательство «Ранок», 2005. - 464 с.
2. Перышкин А.В., Гутник Е.М., Физика. 9 кл.: учебник для общеобразоват. учреждений / А.В. Перышкин, Е.М. Гутник. - 14-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2009. - 300 с.

1. Интернет-портал «eduspb» ()
2. Интернет-портал «eduspb» ()
3. Интернет-портал «class-fizika.narod.ru» ()

Домашнее задание

Световая волна – электромагнитная волна видимого диапазона длин волн. Частота световой волны определяет цвет. Энергия, переносимая световой волной, пропорциональна квадрату ее амплитуды.

Световые волны охватывают на шкале электромагнитных волн огромный диапазон, лежащий за ультракороткими миллиметровыми радиоволнами и простирающийся до наиболее коротких гамма-лучей – электромагнитных волн с длиной волны ʎ меньшей, чем 0,1 нм (1 нм = 10 -9 м)

Всякая волна распространяется из одной точки в другую не мгновенно, а с определенной скоростью.

Скорость распространения световых и вообще электромагнитных волн в вакууме (а практически и в воздухе) равна приблизительно 300 000 км\с

Вблизи предмета его тень имеет резкие края, однако очертания
тени размываются с увеличением расстояния между предметом
и тенью. Это нетрудно понять, если учесть, что свет распростра-
няется прямолинейно, а каждый источник света имеет конечные
размеры. Изучение распространения световых лучей показывает,
что на краю каждой тени существует частично освещенная об-
ласть. Эта так называемая полутень делает очертания тени раз-
мытыми. Наиболее темная часть тени (глубокая тень) полностью
отгорожена от источника света. Ширина полутени тем меньше,
чем ближе тень к объекту, который ее отбрасывает, поэтому
вблизи предмета тень выглядит более резкой.

Было установлено, что световая волна представляет собой колебания электрического и магнитного полей, распространяющиеся в пространстве; оба поля совершают колебания во взаимно перпендикулярных плоскостях, которые перпендикулярны также и направлению распространения волны. В действительности световые волны являются одним из типов электромагнитных волн, включающих также рентгеновское, ультрафиолетовое, инфракрасное излучения и радиоволны. Световые волны испускаются атомами, когда электроны в них переходят с одной орбиты на другую. Если атом получает энергию, например в форме тепла, света или электрической энергии, электроны удаляются от ядра на орбиты с большей энергией. Затем они вновь переходят на более близкие к ядру орбиты с меньшей энергией, излучая при этом энергию в виде электромагнитных волн. Так возникает свет.

Форма волны -  наглядное представление формы сигнала, такого как волна, распространяющегося в физической среде, или его абстрактное представление.

Во многих случаях среда, в которой распространяется волна, не позволяет наблюдать её форму визуально. В этом случае, термин «сигнал» относится к форме графика величины, изменяющейся по времени или зависящей от расстояния. Для наглядного представления формы волны может использоваться инструмент, называемый «осциллограф», отображающий на экране значение измеряемой величины и его изменение. В более широком смысле термин «сигнал» используется для обозначения формы графика значений любой величины, изменяющейся по времени.

Общими периодическими сигналами являются (t -  время):

· Синусоида: sin (2 π t ). Амплитуда сигнала соответствует тригонометрической функции синуса (sin), изменяющейся по времени.

· Меандр: saw(t ) − saw (t − duty). Этот сигнал как правило используется для представления и передачи цифровых данных. Прямоугольные импульсы с постоянным периодом содержат нечётные гармоники, которые попадают на −6дБ/октаву.

· Треугольная волна: (t − 2 floor ((t + 1) /2)) (−1) floor ((t + 1) /2) . Включает в себя нечётные гармоники, которые попадают на −12дБ/октаву.

· Пилообразная волна: 2 (t − floor(t )) − 1. Выглядит как зубья пилы. Используется в качестве отправной точки cубтрактивного синтеза, так как пилообразная волна с постоянным периодом содержит чётные и нечётные гармоники, которые попадают на −6 дБ/октаву.

Другие формы сигналов часто называют композитными, так как в большинстве случаев они могут быть описаны как сочетание нескольких синусоидальных волн или суммой других базисных функций.

Ряд Фурье описывает разложение периодического сигнала на основе фундаментального принципа, гласящего, что любой периодический сигнал может быть представлен в виде суммы (возможно бесконечной) фундаментальных и гармонических составляющих. Энергетически-конечные непериодические сигналы могут быть проанализированы как синусоиды после преобразования Фурье.

Длина волны (λ) - кратчайшее расстояние между точками волны, колеблющимися в одинаковых фазах. Свет мы воспринимаем глазами. Он является электромагнитной волной с длиной волны (в вакууме) от 760 нм (красный) до 420 нм (фиолетовый). - длина волны. Частота световых колебаний от 4 . 10 14 Гц (фиолетовый) до 7 . 10 14 Гц (красный). Это достаточно узкая полоска на шкале электромагнитных волн. Частота световой волны (длина волны в вакууме) определяет цвет видимого нами света: Синусоида символически показывает частоту (длину волны) соответствующего участка спектра (цвета). Основные спектральные цвета (имеющие собственное название), а также характеристики излучения этих цветов, представлены в таблице:	λ - длина световой волны	м
с - скорость света	м/c
T - период ЭМ колебаний	с
ν - частота колебаний световой волны	Гц

Колеба́ния - повторяющийся в той или иной степени во времени процесс изменения состояний системы около точки равновесия. Например, при колебаниях маятника повторяются отклонения его в ту и другую сторону от вертикального положения; при колебаниях в электрическом колебательном контуре повторяются величина и направление тока, текущего через катушку.

Электромагнитными колебаниями называются периодические изменения напряженности Е и индукции В.

Электромагнитными колебаниями являются радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи, гамма-лучи.

Передача колебаний обусловлена тем, что смежные участки среды связаны между собой. Эта связь может осуществляться различно. Она может быть обусловлена, в частности, силами упругости , возникающими вследствие деформации среды при ее колебаниях. В результате колебание, вызванное каким-либо образом в одном месте, влечет за собой последовательное возникновение колебаний в других местах, все более и более удаленных от первоначального, и возникает так называемая волна.

Электромагнитные волны – эти волны представляют собой передачу из одних мест пространства в другие колебаний электрического и магнитного полей, создаваемых электрическими зарядами и токами. Всякое изменение электрического поля вызывает появление магнитного поля, и обратно, всякое изменение магнитного поля создаёт электрическое поле. Твердая, жидкая или газообразная среда может сильно влиять на распространение электромагнитных волн, но наличие такой среды для этих волн не необходимо. Электромагнитные волны могут распространяться всюду, где может существовать электромагнитное поле, а значит, и в вакууме, т.е. в пространстве, не содержащем атомов.

Всякая волна распространяется из одной точки в другую не мгновенно, а с определенной скоростью.

Электромагнитные колебания - взаимосвязанные колебания электрического и магнитного полей.

Электромагнитные колебания появляются в различных электрических цепях. При этом колеблются величина заряда, напряжение, сила тока, напряженность электрического поля, индукция магнитного поля и другие электродинамические величины.

Свободные электромагнитные колебания возникают в электромагнитной системе после выведения ее из состояния равновесия, например, сообщением конденсатору заряда или изменением тока в участке цепи.

Это затухающие колебания, так как сообщенная системе энергия расходуется на нагревание и другие процессы.

Вынужденные электромагнитные колебания - незатухающие колебания в цепи, вызванные внешней периодически изменяющейся синусоидальной ЭДС.

Электромагнитные колебания описываются теми же законами, что и механические, хотя физическая природа этих колебаний совершенно различна.

Электрические колебания - частный случай электромагнитных, когда рассматривают колебания только электрических величин. В этом случае говорят о переменных токе, напряжении, мощности и т.д.

КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ КОНТУР

Колебательный контур - электрическая цепь, состоящая из последовательно соединенных конденсатора емкостью C, катушки индуктивностью L и резистора сопротивлением R.

Состояние устойчивого равновесия колебательного контура характеризуется минимальной энергией электрического поля (конденсатор не заряжен) и магнитного поля (ток через катушку отсутствует).

Величины, выражающие свойства самой системы (параметры системы): L и m, 1/C и k

величины, характеризующие состояние системы:

величины, выражающие скорость изменения состояния системы: u = x"(t) и i = q"(t) .