PODSTAWOWE POJECIA I
PRAWA RUCHU FALOWEGO.
DEFINICJA FALI
przestrzenne zaburzenie materii ośrodka przy zaistnieniu
ruchu drgającego w jednym punkcie ośrodka, źródle fali.
W ośrodku propagacji (rozchodzenia się fali) pojawienie się
zaburzenia w jednym miejscu pociąga za sobą drobne
zmiany, wychylenia w otoczeniu tego miejsca, przy czym
samo źródło fali nie musi się poruszać. Jest to możliwe jedynie
przy transferze energii, rozchodząca się fala unosi energię nie
zmieniając położenia cząstek ( choć cząstki wychylają się
okresowo z położenia równowagi nie przesuwają się z falą
naprzód).
W zależności od ośrodków oraz charakteru zaburzeń rozróżnia
się fale mechaniczne (rozchodzą się w ośrodkach sprężystych)
, elektromagnetyczne (rozchodzą się w próżni) i fale materii.
FALE
MECHANICZNE
Przykładami fal
mechanicznych są
fale morskie,
fale dźwiękowe,
fale sejsmiczne.
DEFINICJA
Fala mechaniczna jest to zaburzenie
rozchodzące się w ośrodku
sprężystym i przenoszące energię,
a polegające na drganiach
cząsteczek wokół położeń
ZE WZGLĘDU NA LICZBĘ STOPNI
SWOBODY ROZRÓŻNIAMY FALE:
JEDNOWYMIAROWE – rozchodzące się wzdłuż jednej
prostej, np. Gdy zaburzenie polega na odkształceniu
sprężyny. Takie fale nazywamy LINIOWYMI.
DWUWYMIAROWE – można do nich zaliczyć fale
powstające na powierzchni wody. = fale
POWIERZCHNIOWE.
TRÓJWYMIAROWE – np. Fale dźwiękowe. Nazywane
też falami OBJĘTOŚCIOWYMI.
rozchodzenie się fal
ZE WZGLĘDU NA ZALEŻNOŚĆ POMIĘDZY
KIERUNKIEM DRGAŃ I KIERUNKIEM
ROZCHODZENIA SIĘFALI, ROZRÓŻNIAMY FALE:
POPRZECZNE – kierunek drgań cząsteczek
ośrodka jest prostopadły do kierunku
rozchodzenia się fali.
PODŁUŻNE – kierunek drgań cząsteczek ośrodka
jest równoległy do kierunku rozchodzenia się fali.
KOLISTE – wytwarzane przez źródło punktowe.
drgania rozchodzą się we wszystkich kierunkach,
ale w jednej płaszczyźnie.
KULISTE –Drgania rozchodzą się we wszystkich
kierunkach w przestrzeni.
fala
poprzeczna
fala podłużna
fala kolista
WIELKOŚCI
CHARAKTERYZUJĄCE FALE
Poszczególne punkty drgającego ośrodka mają w
danej chwili różne wychylenia, o punktach które
znajdują się po tej samej stronie położenia
równowagi, są jednakowo od niego odległe i
poruszają się w swoim ruchu drgającym w tę
samą stronę mówimy że mają jednakowe fazy.
Punkty te leżą na tak zwanej linii jednakowej
fazy. Najdalej wysuniętą linię jednakowej fazy
nazywamy czołem fali.
Linie prostopadłe do czoła fali wskazują kierunek
jej rozchodzenia się i są to promienie fali
WIELKOŚCI
CHARAKTERYZUJĄCE FALE
Częstotliwość
Długość
Prędkość
Amplituda
Energia
Natężenie
Odbicie
Ugięcie
Załamanie
Interferencja
DŁUGOŚĆ (λ)
Najmniejsza odległość dwóch powierzchni
falowych o tych samych fazach drgań.
Odległość liczona wzdłuż promienia.
Droga jaką fala pokonuje w jednym
okresie.
OKRES FALI (T) - czas , w którym cząstka
drgająca wykona jedno pełne drganie,
przebędzie w ośrodku drogę równą swej
długości.
PRĘDKOŚĆ (V)
prędkość z jaką przemieszcza się
czoło fali (charakterystyczna dla
ośrodka nie zależy od amplitudy).
AMPLITUDA (A)
największe wychylenie cząstek
drgających
CZĘSTOTLIWOŚĆ (f)
ilość pełnych okresów (drgań jakie
wykona cząsteczka fali)
mieszczących się w czasie jednej
sekundy
(jednostka Hertz)
f=1/T
fala zmieniając ośrodek w którym
się rozchodzi zmienia
swoją
długość
oraz
szybkość,
ale nie zmienia
częstotliwości
!!!!!!!!
RÓWNANIE FALI
Jest to funkcja dwóch zmiennych.
Opisuje zachowanie fali w czasie i
przestrzeni – jak drga każda
cząsteczka ośrodka.
LICZBA FALOWA (k)
Informuje nas ile długości fali
mieści się w 2Π m.
k= 2Π/ λ
ENERGIA FALI
Fala biegnąca niesie energię uzyskaną ze źródła. Moc
źródła to ilość pracy wykonywanej podczas
wytwarzania fali w jednostce czasu.
W procesie rozchodzenia się fali zasadnicze znaczenie
ma proces odwracalnych przemian potencjalnej
energii mechanicznej (energii ciśnienia bądź
naprężenia) w energię kinetyczną. W czasie tych
przemian część energii jest tracona. Zjawisko to
nazywamy
TŁUMIENIEM FALI.
NATĘŻENIE FALI
iloraz energii przenoszonej przez falę
w jednostce czasu E/t i powierzchni S
(ustawionej prostopadle do kierunku
rozchodzenia się fali)
I= E/t S
I= P/S [W/m
2
]
ODBICIE i ZAŁAMANIE
Fale docierająca do granicy pomiędzy ośrodkami, w
których rozchodzi się z różnymi prędkościami, ulega
rozdzieleniu na dwie fale:
* jeżeli fala nie przenika do drugiego ośrodka, wtedy
występuje zjawisko CAŁKOWITEGO ODBICIA.
ODBITĄ
od powierzchni
granicznej, która
pozostaje w pierwszym
ośrodku.
ZAŁAMANĄ,
która zmienia
kierunek i
przechodzi do
drugiego ośrodka.
ODBICIE
Gwałtowna zmiana kierunku rozchodzenia się fali na
granicy różnych optycznie ośrodków (np. powietrze i
szło lub szkło i woda).
Zgodnie ze znanym z optyki
prawem odbicia
kąt
pod jakim fala pada jest zawsze równy co do wartości
kątowi pod jakim się odbija.
całkowite wewnętrzne
odbicie
Zachodzi wówczas gdy kat padania jest większy od kąta
granicznego, a fala przechodzi do ośrodka, w którym jej
prędkość jest większa niż w ośrodku pierwotnym
sin
0
=
ośrodek rzadszy
optycznie
ośrodek gęstszy
optycznie
n
1
n
2
ZAŁAMANIE (refrakcja)
To zmiana kierunku rozchodzenia się fali podczas
przejścia przez powierzchnię graniczną dla dwóch
różnych pod wzglądem właściwości ośrodków, prędkość
rozchodzenia się fal w tych ośrodkach musi być różna i
fala musi padać pod kątem różnym od zera.
Stosunek sinusa kąta padania do sinusa kąta załamania
równy jest stosunkowi prędkości fal w obu ośrodkach
n =
UGIĘCIE (dyfrakcja)
Zjawisko polegające na zmianie kształtu powierzchni
falowej lub zmianie kierunku rozchodzenia się fali
przechodzącej w pobliżu dowolnej przeszkody, szczeliny,
krawędzi, itp.
Występuje, gdy przeszkody mają rozmiary
porównywalne z długością fali.
zasada Huygensa
Zjawisko dyfrakcji jest typowym dla fal. Tłumaczy je
zasada Huygensa
(
każdy punkt ośrodka, do którego
dotarło czoło fali, może być uważany za źródło nowej,
elementarnej fali kulistej)
czoło fali ugiętej stanowi linię styczną czół fal wtórnych.
INTERFERENCJA
Jest to nakładanie się fali -
sumowanie tak zwanych fal
spójnych to znaczy fal o takich
samych częstotliwościach i stałym
w czasie przesunięciu fazowym
pochodzących z kilku źródeł.
Interferencja może mieć charakter
konstruktywny (fale wzmacniają się
– amplituda drgań rośnie), gdy
spotkają się w fazach zgodnych.
Interferencja ma charakter
destruktywny (fale osłabiają się –
amplituda drgań wynosi 0), gdy
spotkają się w fazach przeciwnych.
Wygaszenie: r
1
- r
2
= (2n+1) λ\2
Wzmocnienie: r
1
- r
2
= n λ
FALA STOJĄCA
Powstaje w wyniku interferencji fali
biegnącej i fali odbitej, które mają
tę samą częstotliwość, amplitudę
oraz przesunięcie fazowe.
STRZAŁKAMI nazywamy te miejsca, w
których amplituda jest równa podwójnej
amplitudzie fal biegnących.
WĘZŁY to miejsca gdzie amplituda jest równa
zero.
odległość między strzałkami:
λ
/2
odległość między strzałką a węzłem:
λ
/4
RÓWNANIE FALI STOJĄCEJ