Поширення коливань у середовищі називають хвильовим рухом.

2. Механічною хвилею називають механічні коливання, які поширюються у пружному середовищі із скінченою швидкістю. 3. Всі точ­ки середовища у хвилі коливаються навколо свого положення рівноваги і не переміщуються.

4. Поширення хвиль пов'язано з передаванням енергії від однієї коливної точки до іншої.

5. Енергія, яку перено­сить хвиля, прямо пропорційна густині середовища, квадрату амплі­туди коливань і квадрату їх частоти

6. Хвилі, в яких частинки середовища коливаються перпенди­кулярно до напряму поширення хвилі, називають поперечними. Поперечні хвилі можуть виникати тільки в твердих тілах і на поверхнях рідин

7. Хвилі, в яких частинки коливаються по пря­мій, вздовж якої поширюється хвиля, називають поздовжніми. Поздовжні хвилі можливі в твердих тілах, рідинах і газах.

8. Неперервне геометричне місце точок хвилі, які коливаються в од­накових фазах, називають хвильовою поверхнею

9. Передню хвильову поверхню, тобто найбільш від­далену від джерела, яке створює хвилі, називають фронтом хвилі.

10. Лінію, вздовж якої поширюється фронт хвилі, називають проме­нем. В ізотропному середовищі промінь завжди нормальний (перпендикулярний) до хвильової поверхні. В ізо­тропному середовищі всі промені є прямими лініями. Кожна пряма, що. сполучає точку, в якій міститься джерело хвилі, з будь-якою точ­кою фронту хвилі, в цьому разі є променем.

11. Фронт хвилі в такому середовищі переміщується зі сталою швид­кістю, тому за один період коливань джерела, яке створює хвилі, фронт хвилі переміщується на точно певну відстань . Оскільки кожна точка в хвилі здійснює вимушені коливання, то частота цих коливань дорівнює частоті коливань джерела хвилі.

Величину , яка характеризує переміщення хвильової поверхні за один період залежно від роду середовища і частоти коливань, називають довжиною хвилі. Довжину хвилі вимірюють відстанню, на яку перемі­щуються хвильова поверхня за один період коливань джерела хвилі (позначають літерою - , одиниця вимірювання – метр (м)) Довжину хвилі ще виражають як відстань між двома найближчими точками хвилі, які коливаються в однаковій фазі.

12. Швидкість поширення коливань у пружному середовищі називають фазовою швид­кістю хвилі. Установлено, що фазова швидкість визначається тільки фізич­ними властивостями середовища і його станом. Тому механічні хвилі з різною частотою коливань у заданому середовищі поширюються з од­наковою швидкістю (зазначимо, що це правильно лише при не дуже великій відмінності в частоті коливань).

13. На практиці часто коливання накладаються одне на одне. Наприклад, якщо на підлозі стоять два електродвигуни, які працюють на різних обертах, то підлога здійснює складне коливання, яке утворюється вна­слідок накладання коливань, спричинених роботою кожного двигуна окремо. Результуюче коливання може бути досить складним.

Додавання гармонічних коливань однакової частоти, які відбуваються по одній прямій. Такі коливання зручно додавати графічно.

14. Відбивання хвиль.

 

 

Відбивання хвиль підпорядковується двом зако­нам:

1. Промінь падаючий і промінь відбитий лежать в одній площині з перпендикуляром до відбивної поверхні, поставленим у точці падіння променя.

2. Кут відбивання променя дорівнює куту його падіння.

Зазначимо, що на межі поділу двох середовищ відбувається не тільки відбивання хвиль, а й їх проникнення в інше середовище. Наприклад, на межі повітря — вода поздовжні хвилі можуть переходити як з води у повітря, так і з повітря у воду.

15. Під час відбивання хвиль коливання накла­даються. Внаслідок накладання відбитих хвиль утворюють­ся стоячі хвилі, які назвали так тому, що фаза в них не пере­міщується. При цьому існують точки, які не коливають­ся. Ці точки називають вузлами. Всі точки між найближчими вузлами коливаються в однакових фазах, але мають різні амплітуди.

Фази точок сусідніх півхвиль завжди протилежні. У стоячій хвилі перенесення енергії немає: сума енергій усіх точок, розміщених на відстані чверті дов­жини хвилі, буде сталою, хоч ці точки й обмінюються енергією. По­яснюється це тим, що прямі і відбиті хвилі переносять енергію в про­тилежні боки. Стоячі хвилі виникають тільки тоді, коли на відста­ні від джерела хвиль до перешкоди, яка відбиває хвилі, укладається ціле число чвертей хвилі.

16. Джерела хвиль, які коливаються з однаковою часто­тою і протягом усього часу коливань зберігають сталу різницю фаз, називають когерентними. Хвилі, які створюються цими джерелами в якому-небудь середовищі, називають когерентними. У кож­ній точці середовища різниця фаз коливань, спричинених когерентними хвилями, весь час буде сталою.

Під час накладання когерентних хвиль, які поширюються в якому-небудь середовищі, утворюється стійка картина коливань точок сере­довища, на якій видно, що одні точки коливаються з великою амплі­тудою, а інші — з маленькою.

17. Явище взаємного підсилення і ослаблен­ня коливань у різних точках середовища внаслідок накладання когерент­них хвиль називається інтерференцією.

В процесі накладання таких хвиль у якій-небудь точці середовища з протилежними фазами амплітуда її коливання дорівнює різниці амплітуд коливань, які накладаються, а якщо хвилі наклада­ються з однаковими фазами, то амплітуда коливання точки дорівню­ватиме сумі амплітуд коливань, що накладаються. Якщо коливання накладаються з однаковою амплітудою, то в першому випадку точка зберігатиме стан спокою, а в другому — коливатиметься з подвоєною амплітудою. хвильових шляхів дорівнює парному числу півхвиль (або нулю), то в узятій точці буде максимальне підсилення коливань.

18. Частоту змушуючої сили, при зміні якої, як у більший, так і в менший бік, амплітуда вимушених коливань системи зменшується, називають резонансною частотою цієї системи.

19. Резонансом називають явище швидкого зростання амплітуди вимушених коливань якої не будь системи, коли частота змушуючої сили наближається до резо­нансної частоти системи.

Резонансна частота системи дорівнює частоті її вільних коливань; коли сили опору малі, то можна вважати, що вона дорівнює власній частоті.

Явище резонансу можна спостерігати і за допомогою маятника, підвішеного на нитці, якщо періодично розгойдувати точку підвісу в такт з вільними коливаннями маятника. Розгойдуючи гойдалку, ми також підштовхуємо її в такт з її вільними коливаннями. Якщо під­штовхувати гойдалку не в такт з її коливаннями, то вони припиняться.

20. Амплітуда коливань системи під час резонансу великою мі­рою залежить від сил опору середовища і тертя. Чим менші ці сили, тим більша амплітуда коливань системи. Особливо великі амплітуди коливань під час резонансу бувають тоді, коли сили опору малі. У цьому разі коливання під час резонансу можуть зруйнувати всю коливну систему.

21. Практичне значення резонансу в природі і техніці дуже велике. Резонанс буває не тільки в механічних явищах. Його використовують в електротехніці, оптиці, ядерній фізиці. На резонансі ґрунтується робота радіоприймачів, телевізорів тощо.

Часто резонанс завдає і шкоди. Наприклад, при певних частотах звуку корпус радіоприймача іноді деренчить, передчасно спрацьову­ються фундаменти, на яких установлюють машини, що працюють рит­мічно, тощо. В авіації явище резонансу може призвести навіть до руй­нування літака під час його польоту. Тому нові моделі літаків випро­бовують на різних режимах роботи двигунів і різних швидкостях польоту в найрізноманітніших умовах.

 

22. Джерелом звуку завжди є яке-небудь коливне тіло, яке в процесі своїх коливань ство­рює в навколишньому середовищі механічні хвилі. Коли ці хвилі досягають вуха людини, вони приводять у вимушені коливан­ня барабанну перетинку всередині вуха, і людина відчуває звук. Ме­ханічні хвилі, які спричинюють у людини відчуття звуку, називають звуковими.

23. Звукові хвилі в повітрі складаються із згущень і розріджень, тобто вони поздовжні. Зрозуміло, що звук людина може чути лише то­ді, коли між джерелом звуку і вухом людини є середовище, в якому можуть поширюватись звукові хвилі. Через безповітряний простір звук передаватися не може. 24. Вивчення звукових явищ показало, що далеко не всі механічні хви­лі можуть створювати відчуття звуку в людини. Було з'ясовано, що тільки хвилі, частота коливань яких лежить у межах від 16 до

20 000 Гц є звуковими. Зазначимо, що верхня і нижня межі частот цих коливань в окремих людей можуть трохи відрізнятися від згаданих вище.

Отже, людина відчуває звук, коли виконуються такі умови:

1) є джерело звуку, яке створює коливання з частотою в межах від 16 до 20000 Гц;

2) є пружне середовище між вухом і джерелом звуку;

3) потужність звукових хвиль достатня для створення від­чуття звуку в людини.

25. Швид­кість поширення звуку в повітрі при 0 °С дорівнює 332 м/с і зростає при підвищенні температури.

26. Швидкість звуку залежить від середовища. Наприклад, швидкість звуку у воді становить 1450 м/с, а в сталі 5 000 м/с.

27. Одна з якостей звуку, які ми відрізняємо — це його гучність. Гуч­ність звуку — поняття суб'єктивне, той самий звук одній людині може здаватися гучним, а іншій — тихим.

Об'єктивною оцінкою гучності є інтенсивність (або сила) з в у к у. Інтенсивність звуку вимірюють енергією, яку перено­сять звукові хвилі за одиницю часу через одиницю площі поперечного перерізу, перпендикулярного до напряму поширення хвиль. ( Позначають літерою – І, одиниця вимірювання – ват поділений на метр квадратний (Вт/м² )) (N - потужність джерела звуку)

Енергія, яку переносять хвилі, прямо пропорцій­на квадрату амплітуди і квадрату частоти. Тому й інтенсив­ність звуку прямо пропорційна квадрату амплітуди і квадрату частоти коливань у звуковій хвилі.

Якщо від джерела звуку поширюються сферичні хвилі, то інтенсив­ність звуку обернено пропорційна квадрату відстані від джерела звуку до приймача.. Відомо, що гучність звуку зростає із збільшенням амплітуди і зменшується із збільшенням відстані до джерела звуку. Зміна амплі­туди коливань у хвилі впли­ває тільки на гучність звуку, а на інших якостях звуку на позначається.

28. Вухо людини має дуже ве­лику чутливість. Найменшу інтенсивність звукових хвиль, яка спричинює в людини від­чуття звуку, називають порогом чутності. Він залежить від частоти коли­вань. Наприклад, при часто­ті 2000 Гц поріг чутності дорівнює 2 • 10 ^-12 Дж/(м²· с). При менших частотах поріг чутності значно більший.

29. Ще однією якістю звуку, яку може розрізняти людина, є висота тону. Наприклад, легко відрізнити писк комара від гудіння джмеля. Звук комара, який летить, нази­вають високим тоном, а гудіння джмеля — низьким тоном. Звук, який відповідає точно певній частоті коливань, називають тоном. Якість звуку, яка визначається частотою коливань, харак­теризують висотою тону, при цьому більшій частоті коливань відповідає вищий тон або вищому тону відповідає коротша довжина хвилі.

Характеризуючи висоту тону довжиною хвилі, треба пам'ятати що вона () залежить також і від середовища. Тому в різних середовищах тому самому тону відповідають неоднакові довжини хвиль. Неважко зрозуміти, що більша довжина хвилі відповідатиме середовищу з біль­шою швидкістю поширення звукових хвиль.

30. Якість звуку, яка дає змогу визначати джерело зву­ку, називають тембром. Так, за тембром звуку ми дізнаємось хто говорить, хто співає або на якому інструменті грають.

Часто трапляються складні звуки, в яких не можна виділити окре­мі тони. Такі звуки називають шумом.

31. Відбивання звукових хвильвід межі поділу двох середовищ має дуже велике практичне значення.

Цікавий випадок відбивання звуку можна спостерігати, коли від­бивна поверхня розміщена перпендикулярно до напряму поширення хвиль. У цьому разі звукова хвиля, відбившись, повертається назад до свого джерела. Повертання звукової хвилі до свого джерела після відбивання називається луною.

З'ясовано, що людина зберігає звукове відчуття протягом 0,1 с після припинення коливань барабанної перетинки в усі. Це означає, що при невеликій відстані від відбивної поверхні до вуха луна зіллєть­ся з основним звуком і тільки на небагато подовжить його тривалість. Отже, луну можна чути окремо від основного звуку тільки при достат­ньо великій відстані до перешкоди.

32. Луна дає змогу визначити відстань від джерела звуку до відбивної поверхні. Зрозуміло, що звуковий сигнал має бути короткочасним, бо при тривалому сигналі луна зіллється з основним звуком 33. У закритому приміщенні звук багато разів відбивається від стін, що збільшує тривалість звучання після припинення дії джерела звуку. Залишкове звучання в закритому приміщенні називають реверберацією. Для невеликих приміщень час реверберації повинен становити близько 1 с. Час реверберації дуже впливає на якість звуку в концертних залах, бо при дуже великому часі ревер­берації музику слухати не можна, а дуже маленький час реверберації робить звуки бляклими і уривчастими.

34. На межі поділу двох середовищ звук не тільки відбивається, а й по­глинається, проникаючи в інше середовище. Енергія звукових хвиль при цьому частково перетворюється в енергію хаотичного руху моле­кул середовища. Наприклад, оштукатурена стіна поглинає близько 8 % енергії звукових хвиль, а килим — близько 20 %. Цим пояснює­ться той факт, що в кімнаті, захаращеній речами, звук глухий, а в по­рожній кімнаті звук гучний.

35. Механічні хвилі з частотою коливання, більшою від 20 000 Гц, людина не сприймає як звук. їх називають ультразвуковими хвилями або ультразвуком. Ультразвук значною мірою поглинається газа­ми і в багато разів слабше — твердими речовинами і рідинами. Тому ультразвукові хвилі мо­жуть поширюватися на значні відстані тільки в твердих тілах і рідинах. Оскільки енергія, яку переносять хвилі, пропор­ційна густині середовища і квадрату частоти, то уль­тразвук може переносити енергію, набагато більшу, ніж звукові хвилі.. Ще одна важлива властивість ультразвуку в тому, що по­рівняно просто здійснює­ться його напрямлене ви­промінювання. Усе це дає змогу широко використати ультразвук у техніці. Описані властивостіультразвуку використано в ехолоті —приладі для визначення глибини моря. На кораблі встановлюють джерело і приймач ультразвуку певної частоти. Джерело посилає короткочасні ультразвукові імпульси, а приймач вловлює відбиті імпульси. Знаючи час між посиланням і прийманням імпульсів та швидкість поширення ультразвуку у воді визначають глибину моря. Аналогічно діє ультразвуковий локатор, яким користуються для ви­значення відстані до перешкоди на шляху корабля в горизонтальному напрямі. Якщо таких перешкод немає, ультразвукові імпульси до корабля не повертаються.

Цікаво, що деякі тварини, наприклад кажани, мають органи, які діють за принципом ультразвукового локатора, завдяки чому вони добре орієнтуються в темряві. Досконалий ультразвуковий локатор мають дельфіни. Якщо ультразвук проходить через рідини, частинки рідини набу­вають великих прискорень і значною мірою діють на різні тіла в рі­дині. Це використовують для прискорення найрізноманітніших тех­нологічних процесів (наприклад, приготування розчинів, миття дета­лей, дублення шкур тощо).

При інтенсивних ультразвукових коливаннях у рідині її частинки набувають таких великих прискорень, що в рідині утворюються на короткий час розриви (пустоти), які, різко закриваючись, створюють безліч маленьких ударів, тобто відбувається кавітація. За таких умов рідина чинить велику подрібнюючу дію, що використовують для приготування суспензій, які складаються з розпилених частинок твер­дого тіла в рідині, і емульсій — зависів дрібних крапельок однієї рідини в іншій. Ультразвук застосовують для виявлення дефектів у металевих де­талях.

36. Зазначимо, що механічні хвилі з частотою коливань, меншою від 16 Гц, на­зивають інфразвуковими хвилями або інфразвуком. Вони також не спричинюють звукових відчуттів. Інфразвукові хвилі виникають на морі під час ураганів і землетрусів. Швидкість поширення інфразвуку у воді значно більша, ніж швидкість переміщення урагану або велетенських хвиль цунамі, які утворюються під час землетрусу. Це дає змогу деяким морським тва­ринам, що мають здатність сприймати інфразвукові хвилі, діставати таким спо­собом сигнали про наближення небезпеки.

 

Конспект.

Домашнє завдання: 1.Опрацювати по підручнику тему «механічні хвилі»

2. Написати реферат або доповідь на тему: Використання ультра та інфразвуку в природі та техніці.

 

Заняття № 44 ____________2010р.

Тема: Змінний струм. Повний опір в колах змінного струму Трансформатори. Одержання змінного синусоїдального струму при рівномірному обертанні контуру в однорідному магнітному полі. Період і частота струму. Поняття про генератори змінного струму.. Діючі значення сили струму та напруги.

Основні положення та означення.

1. Змінним струмом називають такий струм, який періодично змінюється за значенням і напрямом. Найпростішим є гармонічний, або синусоїдний, закон зміни. 2. Електричні машини в яких механічна енергія перетворюється в електричну, завдяки явищу електромагнітної індукції, називають індукційнимиь генераторами. 3. У генераторах знімають струм з рухомих у магнітному полі про­відників за допомогою колектора (3). У найпростішому випадку колектором є два ізольованих одне від одного кільця, до яких притис­нуті щітки з провідного матеріалу. При великій силі струму такий спосіб його зняття з рухомих провідників через іскріння і виникнен­ня електричної дуги є складним завданням. Тому часто в потужних генераторах замість руху провідників у магнітному полі здійснюють рух джерел магнітного поля відносно нерухомих провідників. За всіх інших однакових умов в обох випадках виникають однакові ЕРС. Однак фізична суть явищ, що зумовлюють виникнення ЕРС, в обох випадках є різною. Якщо провідник рухається в магнітному полі, причиною виникнення ЕРС є дія сили Лоренца на рухомі в маг­нітному полі вільні електрони провідника. Внаслідок дії цієї сили електрони переміщаються до одного з кінців провідника і виникає різниця потенціалів, яка, у свою чергу, є причиною появи струму в замкненому електричному колі. У разі обертання магнітної систе­ми одержують змінне магнітне поле. У провідниках, вміщених у це поле, на основі явища електромагнітної індукції виникає змінне електричне поле, яке й спричиняє напрямлений рух вільних зарядів у провідниках, тобто електричний струм.

4. Перші електричні генератори будувалися з постійними магнітами. Проте вже в 1866 р. було використано електромагніт. Сучасний гене­ратор складається з двох котушок, одна з яких вміщена в пазах неру­хомого осердя з магнітного матеріалу (статора), а друга — у пазах ру­хомого осердя (ротора). Одна з цих обмоток призначена для створен­ня магнітного поля, а друга є робочою, у ній індукується змінна ЕРС.

5. ЕРС індукції, яка виникає в замкненому контурі, в процесі його рівномірного обертання в однорідному магнітному полі змінюється з часом за законом синуса: . Максимальне значення ЕРС індукції називають амплітудою ЕРС або амплітудним значенням ЕРС. (ЕРС індукції максимальна при ) Якщо контур замкнути на зовнішнє коло, то по колу проходи­тиме струм, сила і напрям якого змінюються. Миттєве значення змінного струму, що проходить активним опором, визначають за законом Ома: , де - амплітудне значення сили струму. Струм за фазою збіга­ється з ЕРС.

6. Проміжок часу Т, протягом якого змінна ЕРС здійснює одне повне ко­ливання, називається періодом змінного струму. 7. Кількість повних коли­вань, які здійснюються за 1 с, називають частотою змінного струму .

(період і частота є величинами взаємно оберненими - )

Наприклад, частота змінного струму 50 Гц, тобто 50 коливань за секунду. Це означає, що ЕРС і струм змінюють свій напрям 100 разів за секунду. У країнах СНД і Європи застосовують промислові струми з частотою 50 Гц, у США і Японії стандартом є 60 Гц.

8. При синусоїдному змінному струмі середні значення напруги і струму за період дорівнюють нулю і не можуть бути його характеристиками. Проте середнє значення квадрата сили струму за період відмінне від нуля а кількість виділеного в провіднику тепла змінює­ться пропорційно квадрату сили струму. Таким чином, змінний струм за своїм тепловим ефектом еквівалентний постійному струму, Це дає змогу ввести поняття ефективного значення сили змінного струму. 9. Ефективним (або діючим) значенням сили змінного струму називають силу постійного струму І, який за один період змінного струму виділяє стільки ж тепла, скільки змінний виділяє за той самий час.

Усі амперметри, призначені для змінного струму, показують ефективне значення сили струму. У курсі електротехніки доведено, що воно в раз менше від амплітудного значення сили струму .

 

10. Оскільки поділки шкали вольтметра відповідають добутку , де - опір вольтметра, то на­зивають ефективною напругою змінного струму; яка в раз менша від .

11.Аналогічно ефективне значення є. р. с. змінного струму у раз менше від його амплітудного значення: