Страница 226 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

Вспомните, как происходит распространение продольных волн. Почему они симметричны по отношению к направлению распространения? Может ли быть нарушена эта симметрия при переходе в среду с другими свойствами?

Вспомните, как происходит распространение продольных волн.

Продольные волны — это такие волны, в которых частицы среды совершают колебания вдоль направления распространения самой волны. Распространение происходит за счет упругих свойств среды, которые позволяют передавать деформацию от одной частицы к другой.

Процесс можно описать так:

• В некоторой области среды создается начальное смещение частиц, которое приводит к их сближению. Эта область называется сжатием. Здесь локально увеличиваются плотность и давление среды.
• Благодаря упругим силам, сжатые частицы стремятся вернуться в положение равновесия, толкая при этом соседние частицы и передавая им свое состояние сжатия. Таким образом, область сжатия перемещается в пространстве.
• Область, из которой частицы сместились, становится разреженной. Эта зона называется разрежением, и в ней плотность и давление, наоборот, понижены.
• Затем область разрежения также начинает перемещаться, следуя за областью сжатия.

Таким образом, продольная волна представляет собой чередующиеся области сжатия и разрежения, которые распространяются в среде. При этом сами частицы среды не перемещаются вместе с волной на большие расстояния, а лишь колеблются около своих положений равновесия. Классическим примером продольных волн являются звуковые волны.

Ответ: Продольные волны распространяются как последовательность чередующихся областей сжатия и разрежения, создаваемых колебаниями частиц среды вдоль направления движения волны.

Почему они симметричны по отношению к направлению распространения?

Симметрия продольных волн по отношению к направлению распространения проявляется в полной мере в идеализированном случае, когда волна создается точечным источником в однородной и изотропной среде.

• Однородная среда — это среда, свойства которой одинаковы во всех ее точках.
• Изотропная среда — это среда, свойства которой одинаковы по всем направлениям.

В такой среде возмущение от точечного источника будет распространяться во все стороны с одинаковой скоростью. В результате поверхность, на которой все точки среды колеблются в одной и той же фазе (волновой фронт), будет иметь форму сферы. Направление распространения волны в любой точке всегда перпендикулярно волновому фронту, то есть направлено по радиусу от источника.

Поскольку волна распространяется радиально от центра, любое направление, исходящее из источника, является осью симметрии. Это означает, что на одинаковом расстоянии от источника характеристики волны (амплитуда смещения частиц, давление) будут одинаковы, независимо от выбранного направления. В этом и заключается симметрия волны по отношению к направлению ее распространения.

Ответ: В однородной и изотропной среде волна от точечного источника распространяется равномерно во все стороны, формируя сферические волновые фронты, что и обуславливает её симметрию относительно любого радиального направления.

Может ли быть нарушена эта симметрия при переходе в среду с другими свойствами?

Да, эта симметрия может быть и часто бывает нарушена. Это происходит, когда условия распространения волны перестают быть идеальными (то есть среда не является однородной и изотропной).

1. Переход на границу двух сред. Когда волна падает на границу раздела двух сред с разными свойствами (например, из воздуха в воду), происходят явления отражения и преломления. Если волна падает не перпендикулярно границе, то направление ее распространения во второй среде изменится. Исходная сферическая симметрия относительно источника нарушается.
2. Распространение в анизотропной среде. Если волна попадает в анизотропную среду (например, в кристалл древесины или некоторые минералы), скорость ее распространения становится зависимой от направления. Сферический волновой фронт искажается, принимая, например, форму эллипсоида. Симметрия относительно произвольного направления теряется.
3. Распространение в неоднородной среде. В среде, свойства которой плавно меняются от точки к точке (например, изменение температуры и плотности воздуха с высотой в атмосфере), траектория волны искривляется. Это явление называется рефракцией. Сферические волновые фронты деформируются, и симметрия волны нарушается.

Ответ: Да, симметрия нарушается при переходе волны в среду с другими свойствами (вызывая преломление), а также при распространении в анизотропной (где скорость зависит от направления) или неоднородной (где свойства меняются в пространстве) среде.