Волновой процесс захватывает, как правило, значительную область пространства (если малую, то различий почти нет).

Механические волны в природе: морские волны, морской прибой, сейсмические волны, звуковые волны.

При землетрясениях в толще Земли распространяются как поперечные (S – волны), так и продольные волны (Р – волны). Поперечные волны распространяются только в твердых телах, продольные - в газах, жидкостях и твердых телах. Вопрос: Какой вывод можно сделать на основании того, что в диаметральном направлении Земли проходят только продольные волны?

Стоячие волны, возникающие на шнуре (демонстрация). Точки, в которых амплитуда волны максимальна, называют пучностями стоячей волны. Узлы, расстояние между соседними узлами l = λ/2. Колебания всех точек в пучности происходят в одинаковой фазе, в соседних пучностях сдвинуты по фазе на . Стоячая волна не переносит энергию.

IV. Задачи:

1. Летучие мыши и дельфины излучают звуки одинаковой частоты порядка 10⁵ Гц. Какой длины волны они создают, если ско­рость звука в воздухе 340 м/с, а в воде 1500 м/с?

2. Считая скорости S и Р – волны равными соответственно 9 и 5 км/с, определите расстояние до очага от сейсмической станции, которая зарегистрировала приход этих волн с интервалом 2 мин.

3. Середина стержня сечением S и плотностью ρ; сместилась после прохождения короткой волны продольного сжатия на расстояние l впра­во. Скорость волны . Определите импульс этой волны.

Вопросы:

1. Почему волновой импульс переносит информацию, а сину­соидальная волна нет?

2. Скорость волны “изгиба” шины 160 - 200 км/ч. Что произойдет, при приближении скорости автомобиля к этой величине?

3. Объясните происхождение пульсовой волны, распространяющейся по кровяному руслу. Какова ее частота и длина волны?

4. Почему причиной возникновения волн в море является ветер?

"Подует ветер – и встает волна.

Стихает ветер и волна спадает.

Они, должно быть, старые друзья,

Коль так легко друг друга понимают";.

Ки-но Цираюки

5. Дайте определение волны.

6. Леонардо да Винчи писал: "Если ты, будучи в море, опустишь в воду отверстие трубы, а другой конец приложишь к уху, то услышишь идущие вдали корабли". Объясните.

V.

§§ 58,59. Упр. 34

Китай обладает новым видом оружия - геофизическим. Если все насе­ление Китая одновременно спрыгнет с двухметровых платформ, то в Земле начнет распространяться ударная волна. Прыгая снова всякий раз, как эта волна будет проходить через Китай (каждые 53-54 мин), китайцы могут усилить ее до такой степени, что она может разрушить отдельные сейсмически опасные районы. Так ли это?

Встаньте в круг, возьмитесь за руки и пусть один из вас присядет и выпрямится, следующий за ним сделает это с некоторым запозданием, следующий – с большим запозданием и так далее. Тогда по кругу побежит волна. От чего зависит скорость такой волны?

Костяшки домино поставьте вертикально в ряд на некотором расстоянии друг от друга. Если уронить первую из них, то она уронит следующую и т.д. Измерьте скорость распространения этого волнового импульса и выясните, от чего она зависит.

"Бросая в воду камешки, смотри на круги, ими образуемые,

иначе такое бросание будет пустою забавою";.

Козьма Прутков

Урок 86/5. ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ ВОЛН

 

ЦЕЛЬ УРОКА: Познакомить учащихся с явлением интерференции волн и научить их определять длину волны по наблюдаемой интерференционной картине.

 

ОБОРУДОВАНИЕ: Волновая ванна с принадлежностями, осветитель для теневого проецирования, штатив.

ПЛАН УРОКА:

1. Вступительная часть 1-2 мин

2. Опрос 10 мин

3. Объяснение 25 мин

4. Закрепление 5 мин

5. Задание на дом 2-3 мин

 

II. Опрос фундаментальный:

1. Свойства волновых импульсов.

2. Волны.

Задачи:

1. Человек, стоящий на берегу моря, определил, что расстояние между следующими друг за другом гребнями волн равно 8 м. Кроме того, он подсчитал, что за 60 с мимо него прошло 23 волновых гребня. Определите скорость распространения волны.

2. Лодка качается в море на волнах, распространяющихся со ско­ростью 2 м/с, расстояние между ближайшими гребнями которых 6 м. Какова частота ударов волн о корпус корабля?

 

Вопросы:

Какова частота дыхания? Какова частота вашего пульса?

Если в волновую ванну капнуть несколько капель жидкости для мытья посуды, то картина становится четче. Почему?

Какие волны мы будем наблюдать, если коснемся ножкой звучащего камертона поверхности воды в волновой ванне?

Каким образом по городу может распространяться волна слухов? Какова наибольшая скорость распространения этой волны?

Какими способами можно обнаружить атомную подводную лодку в Мировом океане?

 

III. Волны в среде. Плоская волна (рисунок). Почему волна называется плоской? Волновая поверхность и луч. Демонстрация распространения плоских волн на поверхности воды, связь между длиной волны и частотой. Круговые и сферические волны (демонстрация).

Цель урока - познакомиться с одним из интереснейших явлений - интер­ференцией волн. Для этого необходимы два источника волн, колеблющихся с одинаковой частотой и постоянной разностью фаз (когерентные источни­ки). Пусть каждый из них совершил 7 полных колебаний, после чего мы сделали мгновенный фотоснимок наб­людаемой картины. Центральная линия. Двойные гребни и двойные впадины вдоль центральной линии.

Есть ли еще направления, вдоль которых происходит усиление колебаний? Линии максимума на рисунке. А что будет наблюдаться между двумя со­седними линиями максимума? Ослабление?! Узловые линии на рисунке. Демонстрация интерференции водяных волн.

Вывод: Интерференцией называется явление наложения волн друг на друга, в результате которого вдоль одних направлений происходят колебания удвоенной амплитуды, а вдоль других она равна нулю.

Что можно определить по наблюдаемой интерференционной картине? Разность хода волн (рисунок на доске). Разность хода волн до точки наблюдения, лежащей на центральной линии: Δ₀ = 0;

на первой линии максимума: Δ₁ = λ;

на второй линии максимума: Δ₂ = 2λ;

на n – ой линии максимума: Δ_n = nλ, где n = 0,1,2,..., n.

Аналогично для узловых линий:

Δ_n = (n – 0,5)λ, где n = 1,2,..., n.

Вывод: Если до некоторой точки наблюдения разность хода равна целому числу длин волн, то в этой точке происходит усиление колебаний, а если не целому, то ослабление.

Как определить результат интерференции в некоторой точке? Необходимо определить разность хода волн до этой точки и установить целое или не целое число длин волн укладывается на этой разности хода, Если число длин волн целое, то в этой точке волны усилят друг друга, а если не целое, то ослабят.

А если известен результат интерференции в некоторой точке интерфе­ренционной картины? В этом случае, зная разность хода волн до некоторой точки наблюдения и номер линии, на которой она лежит, можно опре­делить длину волны. Определите длину волны по интерференционной картине, изображенной на доске, если точка наблюдения лежит на второй линии максимума. Демонстрация интерференции волн на поверхности воды.

Стоячая волна (демонстрация) – результат интерференции падающей и отраженной волн. Можно ли наблюдать интерференцию звуковых волн, световых волн? Что для этого необходимо? Что можно определить по наблюдаемой интер­ференционной картине? Таким образом были определены впервые длины световых волн: λ_к = 0,76 мкм; λ_ф= 0,4 мкм.

IV. Задачи:

1. Два динамика подключены к выходу одного генератора электрических колебаний, работающего на частоте 170 Гц. Определите результат интерференции в точках 1 и Скорость звука в воздухе 340 м/с.

2. В некоторую точку пространства приходят когерентные лучи с оптической разностью хода 2 мкм. Определить, усилится или ослабнет свет в этой точке, если в нее приходят: 1) красные лучи с длиной волны 760 нм; 2) желтые лучи с длиной волны 600 нм; 3) фиолетовые лучи с длиной волны 400 нм.

V.

Конспект.

1. Опишите эксперименты по наблюдению интерференции водяных волн в домашних условиях.

2. Рассмотрите интерференционную картину от двух точечных источников. Затем выясните, что произойдет с узловыми линиями после помещения третьего источника, тождественного с остальными, посредине между ними?

3. Придумайте интерференционный опыт, способный доказать волновую при­роду звука и позволяющий измерить длину звуковой волны.

4. Из двух коробок от зубной пасты, двух спичек и суровой нитки длиной 10 – 15 м, изготовьте самый простой телефон. Продемонстрируйте его работу и объясните принцип действия.

5. Если положить друг на друга две сетки от комаров с мелкими ячейками и посмотреть через них «на просвет», то можно наблюдать интерференцию света.

6. Звук артиллерийского выстрела дошел до первого наблюдателя через 3 секунды, а до второго - через 4,5 секунды после вспышки. Определи­те графически местоположение орудия, если расстояние между наблюда­телями 1 километр.

 

"Так рождалась сказка о стране чудес,

так шаг за шагом разворачивались удивительные события";.

Л. Кэрролл. "Алиса в стране чудес";

Урок 87/10. ОТРАЖЕНИЕ И ПРЕЛОМЛЕНИЕ ВОЛН

 

ЦЕЛЬ УРОКА: Познакомить учащихся с методом определения положения фронта в произвольный момент времени. Применить принцип Гюйгенса для объяснения явлений отражения и преломления волн.

ТИП УРОКА: Комбинированный.

ОБОРУДОВАНИЕ: Волновая ванна с принадлежностями, осветитель для теневого проецирования, штатив.

ПЛАН УРОКА:

1. Вступительная часть 1-2 мин

2. Опрос 10 мин

3. Объяснение 25 мин

4. Закрепление 5 мин

5. Задание на дом 2-3 мин

 

II. Опрос фундаментальный: Интерференция волн.

Вопросы:

1. Известны расстояния некоторой точки на узловой линии до двух точечных источников в волновой кювете. Чего не хватает для вычисления длины волны?

2. Что произошло бы с узловыми линиями, если бы один из двух источ­ников стал постепенно ослабевать и, наконец, перестал бы работать?

3. Прямая – луч; плоскость -? Выберите недостающее слово из пяти предложенных слов: пространство, шар, волновая поверхность, фигура, точка.

4. Вспомните определение гиперболы и объясните, почему узловые линии являются гиперболами?

5. Почему неожиданно появляются и исчезают в океане волны-гиганты (высота до 40 м)?

Задачи:

1. Два громкоговорителя расположены в 2 м друг от друга и издают непрерывный звук, частота которого 1 кГц, Скорость звука 340 м/с. Под какими углами к средней линии, проведенной между гром­коговорителями, можно ожидать отсутствие распространения звука?

2. Два когерентных источника света S₁ и S₂ с длиной волны 0,5 мкм находятся на расстоянии 2 мм друг от друга. Экран расположен на расстоянии 2 м от S₁. Что будет наблюдаться в точке А экрана – свет или темнота?

III. Фронт волны на поверхности воды в момент времени t₁. Как определить положение фронта в момент времени t₂ = t₁ + Δt? Каждая точка среда, до ко­торой дошло возмущение, является источ­ником вторичных волн, которые за проме­жуток времени Δt проходят расстояние S = υΔt и их огибающая в данный момент времени указывает положение фронта распространяющейся волны (принцип Гюйгенса). Отражение волн на основе принципа Гюйгенса. Фронт отраженной волны. Закон отражения волн (определение записать). Демонстрация отражения волн.

Демонстрация фокусировки волн параболическим зеркалом (резиновая трубка в форме параболы) 1. Падение плоской волны и ее фокусировка. 2. Кольцевая волна, возникающая в фокусе, после отражения от зеркала становится плоской.

Преломление волн на границе раздела двух сред, скорости распространения волн в которых раз­личны. Фронт падающей волны и фронт прелом­ленной волны. АВ = υ₁Δt, СД = υ₂Δt. Закон преломления волн:

Демонстрация преломления волн (глубина мелкой области 2 мм, глубокой безразлично). Уменьшение длины волны в мелкой части кюветы. По рисун­ку определите, во сколько раз скорость волн в глубокой части кюветы боль­ше, чем в мелкой части.

Дисперсия волн. Демонстрация преломления волн различных частот в вол­новой ванне. Почему "длинные" волны преломляются сильнее, чем "корот­кие"? Для каких волн показатель преломления больше? Дисперсия волн - явление разбрасывания волн на границе раздела двух сред, показатель преломления которой зависит от частоты. Дисперсия (от лат. dispergo – разбрасывать). Как будет вести себя на границе раздела "белая" волна? Почему "опрокидываются" волны, приближающиеся к берегу (морской прибой)?

 

Вопрос: Почему плохо слышно, если кричишь против ветра? Скорость ветра вверху больше, поэтому скорость звука будет меньше, и волна загибается вверх. Демонстрация эффекта Доплера с помощью капельницы на штативе, перемещающейся вдоль ванны.

IV. Задачи:

1. В сосуде для наблюдения ряби скорость волн в одной облас­ти равна 20 см/с, в другой - 15 см/с. Что происходит с падающей волной, пересекающей границу под углом 60°?

2. Волна частотой 12 Гц распространяется со скоростью 30 см/с в мелкой части сосуда с водой. Она пересекает границу более глубокой части сосуда под углом падения 35°. Чему равен угол преломления, если длина волны в более глубокой части сосуда равна 3,7 см?

Вопросы:

Почему человек, стоящий на берегу реки, не слышит звуков, возникающих под водой?

Почему плохо слышно, когда человек кричит против ветра?

V. Конспект.

1. Сделайте рисунок, иллюстрирующий построение Гюйгенса для преломления плоских волн, падающих под углом 30° при отношении = 2.

2. Камень, брошенный вертикально в стоячую воду, создает кольцевые волны. Измениться ли форма волновых импульсов, если камень бросить под некоторым углом к вертикали, если камень будет падать в проточ­ную воду?

3. Определите зависимость скорости поверхностных волн в воде от их амплитуды, от глубины водоема.

 

"Я мог бы к этому еще прибавить, что столь сложные по своему внешнему виду законы дифракции, …, были показаны во всей их общности с помощью наиболее простых из принципов волновой теории";.

Огюстен Френель

Урок 88/11. ДИФРАКЦИЯ ВОЛН

 

ЦЕЛЬ УРОКА: Познакомить учащихся с явлением дифракция и научить их определять длину волны по наблюдаемой дифракционной картине.

ТИП УРОКА: Комбинированный.

ОБОРУДОВАНИЕ: Волновая ванна с принадлежностями, осветитель для теневого проецирования, экран.

ПЛАН УРОКА:

1. Вступительная часть 1-2 мин

2. Опрос 10 мин

3. Объяснение 25 мин

4. Закрепление 5 мин

5. Задание на дом 2-3 мин

II. Опрос фундаментальный:

1. Принцип Гюйгенса. Отражение волн.

2. Принцип Гюйгенса. Преломление волн.

Задачи:

1. Волны проходят от глубокой к мелкой части кюветы с углом падения 60° и углом преломления 45°. Найти отношение скоростей распространения волн в этих частях кюветы. Если в глубокой части кюветы скорость волн составляет 25 м/с, то чему она равна в мелкой части?

2. Частота колебаний световой волны 5∙10¹⁴ Гц. Какова длина волны этого света в вакууме? В стекле с показателем преломления 1,5?

Вопросы:

1. Представьте волну горения, бегущую по бикфордову шнуру, в виде примерного графика зависимости температуры от расстояния.

2. Если бросить камень в пруд, то на его поверхности возникает нес­колько кольцевых волн. Почему?

3. Почему линия прибоя всегда почти параллельна берегу, хотя ветер на море может дуть и под углом?

III. Сегодня мы применим принцип Гюйгенса для объяснения не менее интересного явления - дифракции волн.

Дифракция - явление огибания волнами препятствий. Эта особенность присуща только волнам, но не частицам (пример с выстрелом из дробо­вого ружья в щель).

Рисунок щели на доске. Прохождение плоской волны длиной λ через щель.

Вторичные волны. Результирующая картина - результат интерференции вторичных волн!

Интерференция вторичных волн вдоль центрального направления и ре­зультат (усиление волн). Перенос результирующей картины на основной рисунок.

Интерференция вторичных волн вдоль направления с разностью хода λ/2 и ее результат (частичное усиление). Интерференция вторичных волн вдоль направ­ления с разность хода X и ее результат (полное гашение волн). Интерференция вторичных волн вдоль направ­ления с разностью хода (3/2)λ и ее резуль­тат.

Направления, вдоль которых будет происходить частичное гашение (а) и полное гашение (б).

а) Δ_n = (n – 1/2)λ, где n = 1,2,…,n;

б) Δ_n = nλ, где n = 1,2,…,n.

Результирующая дифракционная картина на доске. Демонстрация дифрак­ции водяных волн. Изменение ширины щели. В каком случае дифракция волн наблюдается наиболее отчетливо?

Вывод: Дифракция волн наблюдается наиболее отчетливо, если размеры отверстия сравнимы с длиной волны.

Вопросы:

1. Как по наблюдаемой дифракционной картине от щели определить длину волны?

2. Можно ли наблюдать дифракцию света? Что для этого необходимо? Почему не наблюдается дифракция света при его прохождении через замочную скважину? А если уменьшить ширину отверстия? Уменьшая расстояние между двумя пальцами, смотрите через них на источник света. Что вы наблюдаете? Объясните наблюдаемую картину.

Применения явления: Входя в бухту, плоские морские волны становятся кольцевыми волнами, и их энергия убывает обратно пропорционально расстоянию.

Задача:

1. Желтый свет падает на щель шириной 1 мм. Определите углы, под которыми расположены первые четыре узла дифракционной картины, Определить те же углы, если щель в 10 раз уже.

 

IV. Демонстрация кинофрагмента "Дифракция волн".

V.

Повторите эксперименты по дифракции волн. Используя тарелку с водой и два карандаша. Опишите и зарисуйте наблюдаемую картину.

 

 

"... А скрипка цвета не имела,

Она имела только звук ";.

Н. Панченко

Урок 89/12. ЗВУКОВЫЕ ВОЛНЫ

 

ЦЕЛЬ УРОКА: Познакомить учащихся с основными характеристиками звуковой волны, способам ее получения и регистрации. На примере звуковых волн углубить и систематизировать знания учащихся о волнах.

ТИП УРОКА: Комбинированный.

ОБОРУДОВАНИЕ: Генератор звуковой, микрофон, УНЧ-3, осциллограф, амперметр демонстрационный, громкоговоритель - 2 шт., экраны металлические от набора ПСР.

ПЛАН УРОКА:

1. Вступительная часть 1-2 мни