Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Естествознание arrow Общая физика
Посмотреть оригинал

Волны

Общие сведения

Процесс распространения колебаний в пространстве называется волной.

В предыдущем подразделе отмечалось, что математическое описание колебаний самых различных физических величин может быть одинаково. Это позволяет рассматривать теорию колебаний независимо от того, к каким колебаниям она будет применена. Поскольку волна — процесс распространения колебаний, то могут быть самые различные волны в зависимости от того, колебания какой физической природы рассматриваются; при этом математическое описание будет сходным. Поэтому, как и при изучении механических колебаний, в этом подразделе мы будем рассматривать механические волны, имея в виду возможность обобщения и применения полученных соотношений на случай других волновых процессов, например, электромагнитных волн и др.

Механические волны могут распространяться только в упругой среде. Если в каком-либо месте упругой (твердой, жидкой или газообразной) среды возбудить колебания частиц, из которых состоит эта среда, то вследствие взаимодействия между частицами эти колебания будут передаваться соседним частицам, которые в свою очередь передадут возбуждение своим соседям и так далее. Постепенно в процесс колебаний будут вовлекаться все новые и новые частицы. Такое распространение колебаний происходит не мгновенно, а совершается с некоторой конечной скоростью и, зависящей от свойств данной среды. В процессе распространения колебаний частицы среды волной не переносятся, а лишь совершают колебательные движения относительно своих положений равновесия.

Различают два основных типа волн (и колебаний соответственно): продольные и поперечные.

Волна называется продольной, если направление смещения частиц среды в ней совпадает с направлением распространения волны (рис. 2.18).

Возникновение продольной волны

Рис. 2.18. Возникновение продольной волны

Очевидно, что продольная волна может распространяться в среде, обладающей упругими свойствами по отношению к сжатию и растяжению. Этим свойством обладают все среды — твердые, жидкие и газообразные.

Несколько иначе обстоит дело с поперечными волнами. Волна называется поперечной, если направление смещения частиц среды перпендикулярно направлению распространения волны (рис. 2.19). Из этого определения следует, что поперечная волна может распространяться в таких средах, для которых имеет место упругая деформация сдвига. Таким свойством обладают только твердые тела. Следовательно, только в твердых телах возможны поперечные волны. В твердых телах, таким образом, могут распространяться как продольные, так и поперечные волны, а в жидкостях и газах — только продольные[1].

Возникновение поперечной волны

Рис. 2.19. Возникновение поперечной волны

Поперечным волнам свойственна поляризация (обозначаемая индексом s у символа частоты — со*), т.е. наличие определенной плоскости, в которой происходят смещения. На рисунке 2.20, а представлена поляризованная (электромагнитная) волна, плоскостью поляризации которой является координатная плоскость хОу, в которой происходят колебания вектора напряженности Е электрического поля (вектор напряженности Н магнитного поля колеблется в плоскости xOz). Однако в большинстве случаев совокупность волн (ее еще называют пучком волн) состоит из отдельных волн с разными случайными плоскостями колебаний (поляризация отсутствует). В полностью поляризованном пучке волн смещения частиц происходят только в одной плоскости, называемой плоскостью колебаний (рис. 2.20, б) эта плоскость содержит также вектор, указывающий направление распространения волны, для нее индекс 5=1. Сама волна в этом случае называется плоско- или линейно-поляризованной. Пучки волн, в которых плоскости колебаний беспорядочно распределены в пространстве относительно направления их распространения, называются неполяризо- ванными (рис. 2.20, г). Степень поляризации волн определяется нарушением осевой симметрии смещений относительно направления распространения волны (рис. 2.20, в и г). В продольной волне колебания совершаются в направлении, совпадающем с направлением распространения волны, и поэтому у нее поляризации нет.

При данном направлении распространения поперечной волны возможны различные ориентации плоскости поляризации относительно какой-то системы координат, и всегда колебания в волне можно представить в виде двух колебаний, происходящих в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Поэтому в кристалле, например, могут распространяться три независимые волны: две поперечные плоскопо- ляризованные и одна продольная. Говорят, что такой пучок волн может иметь три поляризации (s = 2 + 1 = 3).

Волны

Рис. 2.20. Волны:

а — смещения происходят в одной плоскости, если смотреть вдоль направления распространения волны; б — то же, что и а (а и б соответствуют поляризованным волнам); в — частично поляризованный пучок волн; г — неполяризованный пучок

Все пространство, в котором благодаря распространению волн происходят колебания, называется волновым полем. Если упругая среда, в которой распространяются волны, изотропна, то скорость распространения волн во все стороны от источника одинакова.

Геометрическое место точек, до которых к данному моменту дошел процесс распространения колебаний называется фронтом волны. Фронт волны представляет собой ту поверхность, которая отделяет часть среды, уже вовлеченной в волновой процесс, от области, в которой колебания еще не возникли. Другими словами, фронт волны представляет собой граничную поверхность волнового поля.

Геометрическое место точек, колеблющихся в одинаковой фазе, называется волновой поверхностью. Очевидно, что фронт волны представляет собой волновую поверхность, наиболее удаленную от источника волн. В общем случае волновые поверхности могут быть любой формы. В частности, они могут представлять собой сферу, тогда волна называется сферической, или плоскость, тогда волна является плоской.

Сферическая волна возникает в изотропной среде при наличии точечного источника волн. На достаточно большом удалении от источника часть сферической волновой поверхности можно практически считать плоской. Следовательно, на значительном расстоянии от источника в ограниченной области сферические волны можно рассматривать как плоские.

  • [1] Последнее, конечно, не относится к волнам на поверхности жидкости, которые такжепоперечные (например, движение поплавка).
 
Посмотреть оригинал
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы