Хвилі оточують нас скрізь, так як ми живемо у світі рухів і звуків. Яка природа хвильового процесу, у чому суть теорії хвильових процесів? Розглянемо це на прикладі дослідів.

Поняття про хвилях у фізиці

Загальним поняттям для багатьох процесів є наявність звучання. За визначенням звуку, він є результатом швидких коливальних рухів, які створюються повітрям або інший середовищем, воспринимающимися нашими слуховими органами. Знаючи це визначення, можна перейти до розгляду поняття «хвильовий процес». Існує ряд дослідів, які дозволяють наочно розглянути це явище.


Вивчаються хвильові процеси у фізиці, можуть спостерігатися у вигляді радіохвиль, звукових, хвиль стиснення при використанні голосових зв'язок. Вони поширюються по повітрю. Для візуального визначення поняття в калюжу кидають камінь і характеризують поширення ефектів. Це приклад гравітаційної хвилі. Вона виникає внаслідок підняття і опускання рідини.

Акустика

Вивчення властивості звуку у фізиці присвячений цілий розділ, який називається «Акустика». Розберемося, що ж він характеризує. Зосередимо увагу на явищах і процесах, в яких ще не все ясно, на проблемах, які ще тільки очікують свого рішення. У акустики, як і в інших розділів фізики, ще багато нерозгаданих таємниць. Їх ще належить відкрити. Займемося розглядом хвильового процесу в акустиці.

Звук

Це поняття пов'язане з наявністю коливальних рухів, які виробляються частинками середовища. Звук – це ряд коливальних процесів, пов'язаний з виникненням хвиль. У процесі утворення в середовищі, і розряджень і виникає хвильовий процес.


Показники довжини хвиль залежать від характеру середовища, де мають місце коливальні процеси. Практично всі явища, які відбуваються в природі, пов'язані з наявністю звукових коливань звукових хвиль, які поширюються в середовищі.

Приклади визначення хвильового процесу в природі

Ці рухи можуть інформувати про явищі хвильового процесу. Високочастотні звукові хвилі можуть поширюватися на тисячі кілометрів, наприклад, якщо відбувається виверження вулкана. При землетрусі йдуть сильні акустичні і геоакустические коливання, які можна зареєструвати спеціальними звуковими приймачами. При підводному землетрус має місце цікаве і страшне явище – цунамі, яке являє собою величезну хвилю, що виникла при потужному підземному або підводному проявах стихії. Завдяки акустиці можна отримати інформацію про те, що наближається цунамі. Багато з таких явищ відомі здавна. Але до цих пір деякі поняття фізики вимагають ретельного вивчення. Тому для дослідження загадок, які ще не розкриті, приходять на допомогу саме звукові хвилі.

Теорія тектоніки

У XVIII столітті народилася «гіпотеза катастроф». У той час не були пов'язані поняття «стихія» і «закономірність». Тоді виявили, що вік дна світового океану набагато молодше, ніж суша, і ця поверхня постійно оновлюється. Саме в цей час, завдяки новому погляду на землю, божевільна гіпотеза переросла в теорію «Тектоніки літосферних плит», яка стверджує, що рухається земна мантія, а твердь – пливе. Такий процес подібний до руху вічного льодоходу.
Для розуміння описаного процесу важливо звільнитися від стереотипів і звичних поглядів, усвідомити інші види буття.

Подальші досягнення науки

Геологічна життя на землі має свій час і стан матерії. Науці вдалося відтворити подобу. На дні океану відбувається безперервний рух, при якому виникають розриви і освіти рифтових хребтів, коли нова речовина з глибин землі підіймається на поверхню і поступово остигає. В цей час на суші відбуваються процеси, коли на поверхні земної мантії плавають колосальні плити літосфери – верхньої кам'яної оболонки землі, яка несе на собі материки і морське дно. Число таких плит налічує близько десяти. Мантія неспокійна, тому літосферні плити починають рухатися. В лабораторних умовах цей процес має вигляд витонченого досвіду. У природі це загрожує геологічної катастрофою – землетрусом. Причиною руху літосферних плит є глобальні процеси конвекції, які відбуваються в глибинах землі. Результатом бурління будуть цунамі.

Японія

Серед інших сейсмічно небезпечних районів землі Японія займає особливе місце, цю ланцюг островів називають «вогненним поясом». Пильно стежачи за диханням земної тверді, можна передбачити загрожує катастрофу. Для вивчення коливальних процесів у товщу землі впровадили надглибоку бурову. Вона проникла на глибину 12 км і дозволила вченим зробити висновки щодо наявності певних порід всередині землі. Швидкість електромагнітної хвилі вивчають на уроках фізики в 9 класі. Показують досвід з тягарцями, розташованими на однаковій відстані один від одного. Вони пов'язані однаковими пружинками звичайного виду. Якщо змістити перший грузик вправо на певну відстань, другий деякий час залишається в колишньому положенні, але пружинка вже починає стискатися.

Визначення поняття «хвиля»

Оскільки стався такий процес, виникла сила пружності, яка буде штовхати другий грузик. Він отримає прискорення, через деякий час набере швидкість, зміститься в цьому напрямку і стисне пружинку між другим і третім грузиком. У свою чергу, третій отримає прискорення, почне розганяти, зміститься і вплине на четверту пружинку. І так процес буде відбуватися на всіх елементах системи.
При цьому зміщення другого вантажу з часу буде відбуватися пізніше, ніж першого. Слідство завжди запізнюється по відношенню до причини. Також зміщення другого вантажу спричинить за собою зсув третього. Даний процес має тенденцію поширюватися вправо. Якщо перший вантаж почав коливатися за гармонійним законом, тоді цей процес пошириться і на другий грузик, але з запізнілою реакцією. Отже, якщо змусити коливатися перший вантаж, можна отримати коливання, яке поширюється в просторі з плином часу. Це і є визначення хвилі.

Різновиди хвиль

Уявімо речовина, яка складається з атомів, що вони:

володіють масою – як запропоновані в досвіді важки;

з'єднуються один з одним, утворюючи тверде тіло шляхом хімічних зв'язків (як розглянуті в досвіді з пружинкою).

Звідси випливає, що речовина є системою, що нагадує модель з досвіду. В ньому може поширюватися механічна хвиля. Цей процес пов'язаний з виникненням сил пружності. Такі хвилі часто називають «пружними». Існує два типи пружних хвиль. Для їх визначення можна взяти довгу пружину, закріпити її з одного боку і розтягнути вправо. Так можна побачити, що напрям поширення хвилі уздовж пружини. Частинки середовища зміщуються в тому ж самому напрямку. У такій хвилі характер напрямку коливання частинок збігається з напрямом поширення хвилі. Дане поняття називається «поздовжня хвиля». Якщо розтягнути пружинку і дати їй час прийти в стан спокою, а потім різко змінити положення у вертикальному напрямку, буде видно, що хвиля поширюється вздовж пружини і багаторазово відбивається. Але напрям коливання частинок тепер вертикальне, а поширення хвилі – горизонтальне. Це поперечна хвиля. Вона може існувати тільки у твердих тілах. Швидкість електромагнітної хвилі різного виду відрізняється. Цим властивістю успішно користуються сейсмологи, щоб визначити відстань до вогнищ землетрусу. Коли поширюється хвиля, відзначається коливання частинок уздовж або поперек, але це не супроводжується перенесенням речовини, а тільки рухом. Так зазначено в підручнику Фізики 9 клас.

Характеристика хвильового рівняння

Хвильове рівняння у фізичній науці – різновид лінійного гіперболічного диференціального рівняння. Воно використовуються також для інших областей, які охоплює теоретична фізика. Це одне з рівнянь, які застосовує для розрахунків математична фізика. Зокрема, описуються гравітаційні хвилі. Застосовуються для опису процесів:

в акустиці, як правило, лінійного типу;

в електродинаміці.

Хвильові процеси відображаються в обчисленні для багатовимірного випадку однорідного хвильового рівняння.

Відмінність між хвилею і коливанням

Чудові відкриття випливають з роздумів над звичайним явищем. Галілей за еталон часу брав биття свого серця. Так було відкрито сталість процесу коливань маятника – одне з основних положень механіки. Воно абсолютно лише для математичного маятника – ідеальної коливальної системи, яка характеризується:

положення рівноваги;

силою, яка повертає тіло до положення рівноваги при його відхиленні;

переходами енергії при виникненні коливання.

Для виведення системи з рівноваги необхідна умова виникнення коливання. При цьому повідомляється певна енергія. Різним коливальним систем потрібні різні види енергії. Коливанням називається процес, який характеризується постійним повторенням рухів або станів системи в певні періоди часу. Наочною демонстрацією коливального процесу є приклад хитного маятника. Коливальні і хвильові процеси спостерігаються майже у всіх природних явищах.

Хвиля має функцію обурювати або змінювати стану середовища, яке розповсюджується в просторі і несе енергію без необхідності переносити речовина. Це відмітна властивість хвильових процесів, вони в курсі фізики вивчаються давно. При дослідженнях можна виділити довжину хвилі. Звукові хвилі можуть існувати у всіх сферах, їх немає тільки в вакуумі. Особливими властивостями володіють електромагнітні хвилі. Вони можуть існувати скрізь, навіть у вакуумі. Енергія хвилі залежить від її амплітуди. Кругова хвиля, поширюючись від джерела, розсіює енергію в просторі, тому її амплітуда швидко зменшується. Цікавими властивостями володіє лінійна хвиля. Її енергія не розсіюється в просторі, тому амплітуда таких хвиль зменшується тільки за рахунок сили тертя. Напрям поширення хвиль зображується променями – лініями, які перпендикулярні до фронту хвилі. Кут між падаючим променем і нормаллю – це кут падіння. Між нормаллю і відбитим променем – кут відбивання. Рівність цих кутів зберігається при будь-якому положенні перепони щодо хвильового фронту. При зустрічі хвиль, що рухаються в протилежних напрямках, може утворюватися стояча хвиля.

Підсумки

Частинки середовища між сусідніми вузлами стоячої хвилі коливаються в однаковій фазі. Такі параметри хвильового процесу, зафіксовані в хвильових рівняннях. При зустрічі хвиль можуть спостерігатися як збільшення, так і зменшення їх амплітуд. Знаючи основні характеристики хвильового процесу, можна визначити амплітуду результуючої хвилі в даній точці. Встановимо, в якій фазі прийде в цю точку хвиля від першого і другого джерела. Причому фази протилежні. Якщо різниця ходу – непарне число півхвиль, амплітуда результуючої хвилі в цій точці буде мінімальна. Якщо різниця ходу дорівнює нулю або цілому числу довжин хвиль, у точці зустрічі буде спостерігатися збільшення амплітуди результуючої хвилі. Це інтерференційна картина при складанні хвиль від двох джерел. Частота електромагнітних хвиль фіксується в сучасній техніці. Приймальний пристрій має реєструвати слабкі електромагнітні хвилі. Якщо поставити відбивач, в приймач потрапить більше енергії хвиль. Систему відбивачів встановлюють так, щоб вона створювала максимальний сигнал на приймальному пристрої. Характеристики хвильового процесу лежать в основі сучасних уявлень про природу світла і будову матерії. Таким чином, при вивченні їх за підручником фізики 9 класу можна успішно навчитися розв'язувати задачі з області механіки.