В физике звуковая энергия передается посредством волн, которые имеют уникальную способность распространяться в абсолютно любой среде. Разнообразие и огромное количество волновых процессов не позволяют ученым выделить основные свойства волн, так как среди них есть и простые типы, уделяющие внимание энергии. Они уникальны тем, что могут простираться сквозь абсолютную пустоту.
Определение 1
Длина волны - это определенное расстояние между двумя близко расположенными волнами сигнала.
Чтобы точно определить полную длину волновых процессов, необходимо изначально измерить расстояние между двумя соседними точками двух волн. Зачастую физики определяют эту величину с помощью промежутка между пиками волн, которые находятся на близком расстоянии друг к другу.
Длина волны имеет прямое отношение с частотой потока, исходящего от сигнала. Чем больше постоянство данного элемента, тем меньше будет в итоге длина волнового процесса. Такая подвластность обусловлена стремительным увеличением общего количества повторений волны сигнала в течение определенного периода времени с уменьшением нестабильной длины волны.
Для волн Де Бройля этот показатель можно рассчитать таким образом:
$\LARGE \lambda =\frac{h}{p }$
А если вам необходимо определить более точную формулу переменного элемента электромагнитном поле или воздухе, то можно воспользоваться такой теорией, где
$\LARGE \lambda =\frac{c}{\nu }=\frac{299792458}{\nu }$
Здесь используется:
Стоит отметить, что раздел физики, который занимается изучением звуковых волн, называется акустикой. Для людей, звук выступает в роли главного источника получения важной информации.
Определение 2
Звук - это конкретный период волны, имеющий механическое происхождение и распространяющийся в газообразном и твердом пространстве.
Их невозможно увидеть, однако они очень восприимчивы для человеческого уха.
Рисунок 2. Скорость и длина волны. Автор24 - интернет-биржа студенческих работ
Любой волновой процесс распространяется с определенной скоростью. Под быстротой волны считают общий показатель распространения противодействия. Например, удар по торцу металлического стержня образует в нем местное прочное сжатие, которое затем будет двигаться вдоль выколотки со скоростью примерно 10 км/с.
Скорость волны можно определить свойствами окружающей среды, в которой этот процесс происходит. При трансформации волны из одного пространства в другое ее скорость кардинально изменяется.
В физике под длиной волны подразумевают расстояние, на которое может распространиться волна за время, равное общему периоду колебаний в ней.
Определение 3
Скорость волны - это абсолютная и постоянная величина для определенной среды, равная произведению скорости на время ее генерализации.
Таким образом, чтобы измерить длину волны, надо скорость волнового процесса умножить на фазу его колебаний в ней: где $v$ - скорость конкретной волны, $T$ - период общих колебаний в волне, $\lambda$ - длина самой волны.
Указанная формула определяет связь длины волны с ее скоростью и фазой. Учитывая, что промежуток колебаний в волновых процессах всегда пропорционален частоте, можно утверждать, что что скорость волны равна созданию длины на стабильную частоту колебаний в ней.
Замечание 1
Волны способны передавать силу и энергию, а также обладают конкретикой, что способствует одному волновому процессу не влиять на колебания другого.
В результате, эти две гранитизации могут легко проходить параллельно и не мешать друг другу.
Волны с точки зрения физики передают общую звуковую энергию, которая легко может существовать в любой среде. Благодаря разнообразию существующих волновых процессов, их невозможно точно определить и выделить основные характеристики, присущи только этому явлению.
Волновой процесс имеет многогранную природу в физике, сюда относят:
Американские ученые два года назад получили Нобелевскую премию за изобретение уникального детектора, которые способен с точностью измерить указанные показатели. Устройство в лазерной гравитационно-волновой обсерватории в первый раз зафиксировало гравитационную волну. Чтобы указанный вид волн долететь до нашей планеты, ему понадобилось более одного миллиарда лет. Далеко за видимым горизонтом галактики произошло мощное столкновение двух черных дыр, после чего прошло уже полтора миллиарда лет.
Звуковыми волнами принято считать волны, которые легко воспринимаются человеческим ухом. Диапазон этих частот находятся в границах примерно от 20 Гц до 20 кГц, а волновые процессы с частотой менее указанных показателей называются инфразвуком, а с частотой более 20 кГц – ультразвуком. Волны звукового диапазона могут находится не только в газе, но и в жидкости, и в других состояниях. Однако волны в газообразном пространстве – среде нашего обитания – представляют собой особый интерес.
Все звуковые колебания оснащены постоянной амплитудой, фазой и частотой. Звуки могут проходить абсолютно разные расстояния, а затем передаваться в пространстве в виде неких механических колебаний молекул конкретного вещества. Они распространяются постепенно, а с определенной скоростью, а после мгновенно исчезают. Их скорость непосредственно зависит от среды, в которой они расположены: в жидких и твердых состояниях звуковой процесс простирается лучше и быстрее, чем в воздухе.
Типы волн бывают следующими:
В целом, можно сделать вывод, что причиной всех звуковых процессов являются вибрации, для стабильного распространения звука требуется определенное пространство, источником данного явления выступает тело, имеющее свойство колебаться и вибрировать с правильной, постоянной частотой.
Однако не каждые физические тела, которые перемещаются, могут быть источниками звука. Интересным фактом из истории считается то, что расширение инфразвука на огромные расстояния дает возможность более точно предсказывать стихийные бедствия. А морские животные, такие как раки или медузы, крайне чувствительны к указанным процессам, поэтому способны еще за несколько дней до наступления шторма предвидеть его и спрятаться в безопасное место. Звуки также представляют собой частоту гармонических и абсолютных колебаний.
Важный физический параметр, необходимый для решения многих задач акустики и радиоэлектроники. Ее можно высчитать несколькими способами, в зависимости от того, какие параметры заданы. Удобнее всего это делать, зная частоту или период и скорость распространения.
Основная формула, которая отвечает на вопрос о том, как найти длину волны через частоту, представлена ниже:
Здесь l - длина волны в метрах, v - скорость ее распространения в м/c, u - линейная частота в герцах.
Поскольку частота связана с периодом обратным соотношением, предыдущее выражение можно записать иначе:
Т - период колебаний в секундах.
Можно выразить этот параметр через циклическую частоту и фазовую скорость:
l = 2pi*v/w
В этом выражении w - циклическая частота, выраженная в радианах за секунду.
Частота волны через длину, как можно заметить из предыдущего выражения, находится следующим образом:
Рассмотрим электромагнитную волну, которая распространяется в веществе с n. Тогда частота волны через длину выражается следующим отношением:
Если она распространяется в вакууме, то n = 1, и выражение приобретает следущий вид:
В последней формуле частота волны через длину выражается с помощью константы с - скорости света в вакууме, с = 300000 км/c.
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.
Диапазоны плавно пере-ходят друг в друга, чёткой границы между ними нет. Поэтому граничные значения длин волн порой весьма условны.
1. Радиоволны (Л > 1 мм). Источниками радиоволн служат колебания зарядов в проводах, антеннах, колебательных контурах. Радиоволны излучаются также во время гроз.
Сверхдлинные волны (Л > 10 км). Хорошо распространяются в воде, поэтому исполь-зуются для связи с подводными лодками.
Длинные волны (1 км < Л < 10 км). Используются в радиосвязи, радиовещании, радионавигации.
Средние волны (100 м < Л < 1 км). Радиовещание. Радиосвязь на расстоянии не более 1500 км.
Короткие волны (10 м < Л < 100 м). Радиовещание. Хорошо отражаются от ионо-сферы; в результате многократных отражений от ионосферы и от поверхности Земли могут распространяться вокруг земного шара. Поэтому на коротких волнах можно ловить радиостанции других стран.
Метровые волны (1м < Л < 10 м). Местное радивещание в УКВ-диапазоне. Напри-мер, длина волны радиостанции «Эхо Москвы» составляет 4 м. Используются также в телевидении (федеральные каналы); так, длина волны телеканала «Россия 1» равна примерно 5 м.
Дециметровые волны (10 см < Л < 1м). Телевидение (дециметровые каналы). На-пример, длина волны телеканала «Animal Planet» приблизительно равна 42 см. Это также диапазон мобильной связи; так, стандарт GSM 1800 использует радиовол-ны с частотой примерно 1800 МГц, т. е. с длиной волны около 17 см. Есть ещё одно хорошо известное вам применение дециметровых волн — это микровол-новые печи. Стандартная частота микроволновой печи равна 2450 МГц (это частота, на которой происходит резонансное поглощение электромагнитного излучения моле-кулами воды). Она отвечает длине волны примерно 12 см. Наконец, в технологиях беспроводной связи Wi-Fi и Bluetooth используется такая же длина волны — 12 см (частота 2400 МГц).
Сантиметровые волны (1 см < Л < 10 см). Это — область радиолокации и спутни-ковых телеканалов. Например, канал НТВ+ ведёт своё телевещание на длинах волн около 2 см.
Инфракрасное излучение (780 нм < Л < 1 мм). Испускается молекулами и атомами нагретых тел. Инфракрасное излучение называется ещё тепловым — когда оно попадает на наше тело, мы чувствуем тепло. Человеческим глазом инфракрасное излучение не воспринимается Мощнейшим источником инфракрасного излучения служит Солнце. Лампы накаливания излучают наибольшее количество энергии (до 80%) в как раз в инфракрасной области спектра. Инфракрасное излучение имеет широкую область применения: инфракрасные обогревате-ли, пульты дистанционного управления, приборы ночного видения, сушка лакокрасочных покрытий и многое другое. При повышении температуры тела длина волны инфракрасного излучения уменьшается, смещаясь в сторону видимого света. Засунув гвоздь в пламя горелки, мы можем наблю-дать это воочию: в какой-то момент гвоздь «раскаляется докрасна», начиная излучать в видимом диапазоне.
Видимый свет (380 нм < Л < 780 нм). Излучение в этом промежутке длин волн воспринимается человеческим глазом. Диапазон видимого света можно разделить на семь интервалов — так называемые спек-тральные цвета.
Красный: 625 нм — 780 нм;
Оранжевый: 590 нм — 625 нм;
Жёлтый: 565 нм — 590 нм;
Зелёный: 500 нм — 565 нм;
Голубой: 485 нм — 500 нм;
Синий: 440 нм — 485 нм;
Фиолетовый: 380 нм — 440 нм.
Глаз имеет максимальную чувствительность к свету в зелёной части спектра.
Ультрафиолетовое излучение (10 нм < Л < 380 нм). Главным источником ультрафиолетового излучения является Солнце. Именно ультрафи-олетовое излучение приводит к появлению загара. Человеческим глазом оно уже не вос-принимается. В небольших дозах ультрафиолетовое излучение полезно для человека: оно повышает иммунитет, улучшает обмен веществ, имеет целый ряд других целебных воздействий и потому применяется в физиотерапии. Ультрафиолетовое излучение обладает бактерицидными свойствами. Например, в боль-ницах для дезинфекции операционных в них включаются специальные ультрафиолетовые лампы. Очень опасным является воздействие УФ излучения на сетчатку глаза — при больших дозах ультрафиолета можно получить ожог сетчатки. Поэтому для защиты глаз (высоко в горах, например) нужно надевать очки, стёкла которых поглощают ультрафиолет.
Рентгеновское излучение (5 пм < Л < 10 нм). Возникает в результате торможения быстрых электронов у анода и стенок газоразряд-ных трубок (тормозное излучение), а также при некоторых переходах электронов внутри атомов с одного уровня на другой (характеристическое излучение).
Рентгеновское излучение легко проникает сквозь мягкие ткани человеческого тела, но по-глощается кальцием, входящим в состав костей. Это даёт возможность хорошо известные вам рентгеновские снимки. В аэропортах вы наверняка видели действие рентгенотелевизионных интроскопов — эти приборы просвечивают рентгеновскими лучами ручную кладь и багаж. Длина волны рентгеновского излучения сравнима с размерами атомов и межатомных рас-стояний в кристаллах; поэтому кристаллы являются естественными дифракционными ре-шётками для рентгеновских лучей. Наблюдая дифракционные картины, получаемые при прохождении рентгеновских лучей сквозь различные кристаллы, можно изучать порядок расположения атомов в кристаллических решётках и сложных молекулах. Так, именно с помощью рент,геност,рукт,урного анализа было определено устройство ряда сложных органических молекул — например, ДНК и гемоглобина. В больших дозах рентгеновское излучение опасно для человека — оно может вызывать раковые заболевания и лучевую болезнь.
Гамма-излучение (Л < 5 пм). Это излучение наиболее высокой энергии. Его проникающая способность намного выше, чем у рентгеновских лучей. Гамма-излучение возникает при переходах атомных ядер из одного состояния в другое, а также при некоторых ядерных реакциях. Некоторые насекомые и птицы способны видеть в ультрафиолете. Например, пчёлы с помощью своего уль-трафиолетового зрения находят нектар на цветах. Источниками гамма-лучей могут быть заряженные частицы, движущиеся со скоростя-ми, близкими к скорости света — в случае, если траектории таких частиц искривлены магнитным полем (так называемое синхротронное излучение). В больших дозах гамма-излучение очень опасно для человека: оно вызывает лучевую бо-лезнь и онкологические заболевания. Но в малых дозах оно может подавлять рост раковых опухолей и потому применяется в лучевой терапии. Бактерицидное действие гамма-излучения используется в сельском хозяйстве (гамма-сте-рилизация сельхозпродукции перед длительным хранением), в пищевой промышленности (консервирование продуктов), а также в медицине (стерилизация материалов).
Волна представляет собой возмущение материи, которое, распространяясь в пространстве, переносит энергию без переноса самой материи. Каждая волна имеет определенные характеристики. Одной из важных характеристик процессов возмущения является длина волны, формула для расчета которой приводится в статье.
Все волны классифицируют по их физической природе, по типу движения частиц материи, по их периодичности и по способу распространения в пространстве.
Согласно типу движения частиц материи при распространении в ней волны выделяют следующие виды:
Согласно физической природе выделяют следующие типы волн:
В соответствии с размерностью волны они могут быть:
В соответствии с периодичностью волны можно сказать, что существуют:
Волна характеризуется 6 параметрами, из которых только 3 являются независимыми, остальные выводятся из этих трех по соответствующим формулам:
Независимыми характеристиками являются, например, длина волны, период и ее амплитуда.
Эта характеристика содержит информацию о волне, которая во многом описывает ее свойства. В физике длина волны определяется как расстояние между двумя ее максимумами (минимумами), или в более общем случае как расстояние между двумя точками, которые колеблются в одной фазе. Под фазой волны понимается мгновенное состояние каждой точки волны. Понятие "фаза" имеет смысл только для периодических Длина волны обычно обозначается греческой буквой λ (лямбда).
В физике формула для длины волны зависит от начальной информации, которая имеется о данном колебании. Например, в случае электромагнитных колебаний можно знать частоту и скорость распространения волны, а затем для вычисления длины волны применить обычную формулу расчета, либо можно знать энергию отдельного фотона, тогда уже следует применять специфическую формулу именно для энергии.
Согласно теореме Фурье, любая периодическая волна может быть представлена суммой синусоидальных волн различной длины. Эта теорема позволяет изучать каждую периодическую волну благодаря изучению ее синусоидальных компонентов.
Для синусоидальной волны с частотой f, периодом T и скоростью распространения v формула длины волны имеет вид: λ = v/f = v*T.
Скорость распространения волны зависит от типа среды, в которой происходит волновой процесс, а также от частоты колебаний. Скорость распространения электромагнитной волны в вакууме является величиной постоянной и приблизительно равна 3*10 8 м/с.
Этот тип механических волн порождается за счет локального изменения давления в веществе, возникающего при колебательных процессах. Например, в воздушной среде речь идет о разряженных и сжатых областях, которые распространяются в виде сферической волны от порождающего их источника. Этот тип волн является периодическим, поэтому формула для длины звуковой волны является такой же, как и для синусоидальной.
Отметим, что в жидкостях и газах могут распространяться только продольные волны, поскольку в этих средах не возникает упругой силы при сдвиге слоев вещества относительно друг друга, в то время как в твердом теле помимо продольных, могут существовать и поперечные волны.
Скорость распространения таких волн определяется характеристиками колебательной среды: ее давлением, температурой и плотностью вещества. Поскольку элементарные частицы, составляющие твердые тела, находятся ближе друг к другу, чем эти частицы в жидкостях, то такая структура твердого вещества позволяет передавать колебательную энергию через него быстрее, чем через жидкость, поэтому скорость распространения волны в них больше. По этой же причине скорость звука в жидкостях выше, чем в газах.
Данные о скорости звука в некоторых средах:
В случае воздуха отметим, что Ньютоном была выведена формула для скорости звука в этой среде в зависимости от температуры, которая впоследствии была модифицирована Лапласом. Эта формула имеет вид: v = 331+0,6*t ºC.
Таким образом, формула для длины звуковой волны с частотой f в воздухе при 25 ºC приобретет вид: λ = v/f = 346/f.
В отличие от механических волн, природа которых заключается в возмущении вещества, в котором они распространяются, электромагнитные волны не требуют материи для своего распространения. Они возникают по причине двух эффектов: во-первых, переменное магнитное поле создает электрическое поле, во-вторых, переменное электрическое поле создает магнитное поле. Осциллирующие магнитное и электрическое поля направлены перпендикулярно друг к другу и перпендикулярно к направлению движения волны, поэтому по своей природе электромагнитные волны являются поперечными.
В вакууме эти волны движутся со скоростью 3*10 8 м/с и могут иметь различные значения частоты, поэтому длина электромагнитной волны выражается в виде: λ = v/f = 3*10 8 /f, где f - частота колебаний.
Спектр электромагнитного излучения представляет собой совокупность всех длин электромагнитных волн. Различают следующие части спектра:
Очень часто в физике возникают задачи, которые ставят вопрос, чему равна длина волны для фотона, имеющего энергию E. Для решения такого рода задач следует использовать следующую формулу: E=h*c/λ, где c - скорость движения фотона, h - постоянная Планка, которая равна 6,626*10 -34 Дж*с.
Из приведенной формулы получим длину волны фотона: λ = h*c/E. Например, пусть энергия фотона E = 2,88*10 -19 Дж, а фотон движется в вакууме, то есть c = 3*10 8 м/с. Тогда получаем: λ = h*c/E = 6,626*10 -34 *3*10 8 /2,88*10 -19 = 6,90*10 -7 м = 690 нм. Таким образом, этот фотон имеет длину волны, которая лежит вблизи верхней границы видимого спектра, и будет восприниматься человеком, как красный луч света.
