Страница 143 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

1. Что называют волнами?

1. Волнами называют процесс распространения колебаний в среде или пространстве. Главная особенность волнового движения заключается в том, что оно переносит энергию от одной точки пространства к другой без переноса вещества. Частицы среды, в которой распространяется волна (например, частицы воды или воздуха), совершают колебательные движения около своих положений равновесия, но не перемещаются вместе с волной.

Существует два основных типа волн, которые классифицируются по направлению колебаний относительно направления распространения волны:

Поперечные волны — это волны, в которых колебания происходят в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны. Классическими примерами являются волны, бегущие по натянутой веревке, волны на поверхности воды, а также электромагнитные волны (свет, радиоволны).

Продольные волны — это волны, в которых колебания происходят вдоль направления распространения волны. Они представляют собой чередование областей сжатия и разрежения среды. Самый известный пример — звуковые волны.

Любую волну можно описать с помощью набора физических величин:

Амплитуда ($A$) — максимальное смещение колеблющейся величины от положения равновесия.

Длина волны ($\lambda$) — расстояние между двумя ближайшими точками, которые колеблются в одной фазе.

Период ($T$) — время, за которое совершается одно полное колебание.

Частота ($\nu$) — количество полных колебаний за единицу времени. Частота и период связаны соотношением $\nu = 1/T$.

Скорость волны ($v$) — скорость, с которой распространяется определенная фаза колебаний.

Эти характеристики связаны между собой фундаментальным волновым соотношением: $v = \lambda \cdot \nu$.

Ответ: Волнами называют процесс распространения колебаний в пространстве, который сопровождается переносом энергии без переноса вещества.

2. В чём заключается основное свойство бегущих волн любой природы? Происходит ли в бегущей волне перенос вещества?

1. Что называют волнами?

Волнами называют процесс распространения колебаний в пространстве с течением времени. Эти колебания представляют собой изменения различных физических величин, например, смещения частиц среды от положения равновесия, напряженности электрического или магнитного полей. Ключевой особенностью волн является то, что при их распространении происходит перенос энергии без переноса вещества.

Ответ: Волны — это распространяющиеся в пространстве и во времени возмущения (колебания) физических величин.

2. В чём заключается основное свойство бегущих волн любой природы? Происходит ли в бегущей волне перенос вещества?

Основное свойство бегущих волн любой природы (будь то механические или электромагнитные) заключается в переносе энергии от одной точки пространства к другой без переноса вещества. Частицы среды, в которой распространяется механическая волна, совершают колебания около своих положений равновесия, но не перемещаются вместе с волной. Аналогично, в электромагнитной волне переносится энергия поля, а не составляющие его частицы.

Соответственно, в бегущей волне не происходит переноса вещества. Например, если бросить в воду камень, то волны разойдутся от места падения, но лист, плавающий на воде, будет лишь подниматься и опускаться на волнах, оставаясь практически на том же месте.

Ответ: Основное свойство бегущих волн — это перенос энергии без переноса вещества. Перенос вещества в бегущей волне не происходит.

3. Что такое упругие волны?

Упругие волны — это механические волны, которые распространяются в упругой среде. Для их существования необходима среда (твердая, жидкая или газообразная), частицы которой взаимодействуют друг с другом посредством сил упругости. При смещении одной частицы среды из положения равновесия возникают упругие силы, которые заставляют смещаться соседние частицы. Те, в свою очередь, воздействуют на следующие, и так возмущение распространяется по всей среде. Распространение волны возможно благодаря двум свойствам среды: упругости (способности восстанавливать форму) и инертности (способности частиц сохранять состояние движения).

Ответ: Упругие волны — это механические возмущения, распространяющиеся в среде благодаря действию сил упругости.

4. Приведите пример.

Наиболее распространенным примером упругих волн являются звуковые волны. Звук может распространяться в воздухе, воде, металлах и других упругих средах. Колебания источника звука (например, гитарной струны) создают в окружающей среде чередующиеся области сжатия и разрежения, которые распространяются от источника в виде продольной упругой волны. Другими примерами упругих волн служат волны на поверхности воды, сейсмические волны в земной коре, а также волны, бегущие по натянутому резиновому жгуту или пружине.

Ответ: Примером упругой волны является звуковая волна.

3. Что такое упругие волны?

Упругие волны — это механические возмущения (колебания), которые распространяются в упругой среде (твердой, жидкой или газообразной). Для их возникновения и распространения необходимо наличие среды, частицы которой взаимодействуют друг с другом посредством сил упругости.

Механизм распространения упругой волны заключается в последовательной передаче колебаний от одних частиц среды к другим. Сначала внешнее воздействие выводит некоторую область среды из положения равновесия. Затем, благодаря упругим связям, возникают силы, стремящиеся вернуть смещенные частицы обратно. Из-за инертности частицы "проскакивают" положение равновесия и начинают совершать колебания, вовлекая в это движение соседние частицы. Так волна распространяется в пространстве.

Важной особенностью упругих волн является то, что они переносят энергию, но не переносят вещество. Частицы среды лишь совершают колебания около своих положений равновесия.

Существует два основных типа упругих волн.

Продольные волны, в которых колебания частиц среды происходят вдоль направления распространения волны. Они представляют собой чередование областей сжатия и разрежения вещества и могут распространяться в любой среде (твердых телах, жидкостях и газах). Классическим примером являются звуковые волны.

Поперечные волны, в которых частицы среды колеблются в направлениях, перпендикулярных направлению распространения волны. Такие волны связаны с деформацией сдвига и могут распространяться в основном только в твердых телах, которые сопротивляются такой деформации. Примерами могут служить волны, бегущие по натянутой струне, или сейсмические S-волны.

Скорость распространения упругой волны $v$ зависит от свойств среды (ее упругости и плотности) и связана с длиной волны $\lambda$ и частотой колебаний $\nu$ соотношением: $v = \lambda \cdot \nu$.

Примерами упругих волн в природе и технике являются: звуковые волны, сейсмические волны, ультразвук, вибрации в конструкциях и деталях машин.

Ответ: Упругие волны — это процесс распространения механических колебаний в упругой среде (твердой, жидкой или газообразной), который сопровождается передачей энергии без переноса вещества.

4. Приведите пример волн, не относящихся к упругим.

2. Происходит ли в бегущей волне перенос вещества?

Бегущая волна представляет собой процесс распространения колебаний в пространстве с течением времени. Основным свойством любой волны является перенос энергии без переноса вещества. Частицы среды, в которой распространяется волна (например, частицы воды, воздуха или элементы струны), совершают колебания около своих положений равновесия, но не перемещаются вместе с волной. Таким образом, вещество в целом остается на месте, в то время как форма волны и переносимая ею энергия движутся. Например, поплавок на поверхности воды будет двигаться вверх и вниз при прохождении волны, но не будет уноситься волной вдаль.

Ответ: Нет, в бегущей волне не происходит переноса вещества. Происходит только перенос энергии и импульса.

3. Что такое упругие волны?

Упругие волны — это механические возмущения (колебания), которые распространяются в упругой среде. Упругой называют среду, в которой возникают силы, стремящиеся вернуть ее в исходное состояние после прекращения внешнего воздействия, вызвавшего деформацию. Распространение волны происходит за счет того, что колебание одних частиц среды передается соседним частицам благодаря силам упругости. Упругие волны могут распространяться в твердых телах, жидкостях и газах, но не могут распространяться в вакууме, так как для их существования необходима среда. Примерами упругих волн являются звуковые волны, сейсмические волны, волны на струне.

Ответ: Упругие волны — это механические волны, распространяющиеся в упругой среде за счет действия сил упругости.

4. Приведите пример волн, не относящихся к упругим.

К волнам, не относящимся к упругим, в первую очередь относятся электромагнитные волны. В отличие от упругих волн, для их распространения не требуется материальная среда, они могут распространяться и в вакууме. Электромагнитные волны представляют собой распространяющиеся в пространстве колебания электромагнитного поля. Примерами электромагнитных волн являются радиоволны, видимый свет, рентгеновское излучение, гамма-излучение. Другим примером неупругих волн являются гравитационные волны — возмущения гравитационного поля (рябь пространства-времени).

Ответ: Примерами волн, не относящихся к упругим, являются электромагнитные волны (например, свет, радиоволны) и гравитационные волны.

5. Какие волны называют продольными?

Продольными называют волны, в которых колебания частиц среды происходят в том же направлении, в котором распространяется сама волна (то есть вдоль направления распространения). В продольной волне образуются чередующиеся области сжатия (где плотность среды максимальна) и разрежения (где плотность минимальна). Классическим примером продольных волн являются звуковые волны в газах и жидкостях. Они также могут распространяться и в твердых телах.

Ответ: Продольные волны — это волны, в которых частицы среды колеблются вдоль направления распространения волны.

5. Какие волны называют продольными; поперечными? Приведите примеры.

5. Какие волны называют продольными; поперечными? Приведите примеры.

Волны классифицируют по направлению колебаний частиц среды относительно направления распространения самой волны. По этому признаку выделяют два основных типа волн: продольные и поперечные.

Продольные волны — это волны, в которых колебания частиц среды происходят вдоль (параллельно) направления распространения волны. Эти волны представляют собой чередование участков сжатия и разрежения среды. Продольные волны могут распространяться в любой упругой среде: твердой, жидкой и газообразной.

Примерами продольных волн являются: звуковые волны (в воздухе, воде, металле), волны в сжимаемой пружине (игрушка «слинки»), а также первичные сейсмические волны (P-волны).

Поперечные волны — это волны, в которых колебания частиц среды происходят поперек (перпендикулярно) направлению распространения волны. Такие волны имеют характерные гребни и впадины. Механические поперечные волны могут существовать только в средах, которые сопротивляются деформации сдвига (обладают упругостью формы), то есть в твердых телах. Отдельный класс поперечных волн — электромагнитные, которые могут распространяться и в вакууме.

Примерами поперечных волн являются: волны на гитарной струне или веревке, вторичные сейсмические волны (S-волны), все виды электромагнитных волн (свет, радиоволны, рентгеновские лучи), а также волны на поверхности воды (которые имеют как поперечную, так и продольную составляющие).

Ответ: Продольными называют волны, в которых колебания частиц происходят вдоль направления их распространения (например, звуковые волны). Поперечными называют волны, в которых колебания частиц происходят перпендикулярно направлению их распространения (например, волны на струне или электромагнитные волны).

6. Какие волны — поперечные?

Поперечными являются волны, в которых колебания величин, характеризующих волновой процесс, происходят перпендикулярно направлению переноса энергии волной.

К таким волнам относятся:

• Электромагнитные волны. В них векторы напряженности электрического ($E$) и магнитной индукции ($B$) полей колеблются перпендикулярно друг другу и перпендикулярно направлению распространения. Это весь электромагнитный спектр: от радиоволн до гамма-лучей, включая видимый свет.
• Механические волны в твердых телах. Например, волны, бегущие по натянутой веревке или гитарной струне, а также вторичные (сдвиговые) сейсмические волны (S-волны), распространяющиеся в земной коре. Их существование возможно благодаря упругости формы твердых тел.
• Волны на поверхности жидкости. Хотя движение частиц воды в них происходит по круговым или эллиптическим траекториям (то есть волны являются смешанными), видимое движение гребней и впадин по поверхности представляет собой поперечную волну.

Ответ: Поперечными волнами являются электромагнитные волны (свет, радиоволны), волны на струне, сейсмические S-волны и волны на поверхности воды.

6. Какие волны — поперечные или продольные — являются волнами сдвига; волнами сжатия и разрежения?

6. Какие волны — поперечные или продольные — являются волнами сдвига; волнами сжатия и разрежения?

Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо рассмотреть, какие виды деформации вызывают в среде поперечные и продольные волны.

Волны сдвига — это волны, распространение которых связано с деформацией сдвига. Деформация сдвига представляет собой смещение одних слоев среды относительно других. В поперечных волнах колебания частиц среды происходят перпендикулярно направлению распространения волны. Именно такое движение частиц и вызывает деформацию сдвига. Следовательно, поперечные волны являются волнами сдвига. Примером может служить волна, бегущая по гитарной струне: ее участки колеблются вверх-вниз, в то время как сама волна движется вдоль струны.

Волны сжатия и разрежения — это волны, которые представляют собой распространяющиеся в среде чередующиеся области повышенной плотности и давления (сжатия) и пониженной плотности и давления (разрежения). В продольных волнах колебания частиц среды происходят вдоль направления распространения волны, что и приводит к образованию таких областей. Следовательно, продольные волны являются волнами сжатия и разрежения. Классический пример — звуковые волны в воздухе.

Ответ: Волнами сдвига являются поперечные волны. Волнами сжатия и разрежения являются продольные волны.

7. Почему поперечные волны не распространяются... (в газах и жидкостях)?

(Примечание: вопрос на изображении обрывается. Наиболее вероятное и логичное продолжение: «...в газах и жидкостях?». Ответ дается именно на этот вопрос.)

Распространение поперечных волн неразрывно связано с упругими свойствами среды, а именно — с её способностью сопротивляться деформации сдвига.

Поперечная волна — это волна сдвига. Для её распространения необходимо, чтобы при смещении одного слоя среды относительно другого возникала упругая сила, стремящаяся вернуть этот слой в исходное положение. Эта сила называется касательным напряжением или напряжением сдвига.

1. В твердых телах атомы и молекулы занимают фиксированные положения в кристаллической решетке или аморфной структуре и прочно связаны друг с другом. Благодаря этим связям твердые тела обладают упругостью формы, то есть они сопротивляются изменению своей формы. При попытке сдвига слоев возникает упругая сила, которая обеспечивает передачу поперечных колебаний от частицы к частице. Поэтому поперечные волны могут распространяться в твердых телах.

2. В жидкостях и газах (которые объединяются понятием "флюиды" — текучие среды) межмолекулярные связи значительно слабее (в газах — почти отсутствуют). Молекулы не имеют фиксированных положений и могут свободно перемещаться друг относительно друга. Из-за этого жидкости и газы не обладают упругостью формы; они практически не сопротивляются сдвигу, а просто текут. Если попытаться сдвинуть слой жидкости или газа, не возникнет существенной возвращающей упругой силы. Следовательно, поперечные колебания не могут передаваться через объем жидкости или газа.

Исключением являются волны на поверхности жидкости, где роль возвращающей силы выполняет сила поверхностного натяжения. Однако это поверхностное явление, а не распространение волны в объеме вещества.

Ответ: Поперечные волны являются волнами сдвига. Для их распространения среда должна обладать упругостью формы, то есть сопротивляться сдвигу. Газы и жидкости текучи и не обладают упругостью формы, поэтому в их объеме поперечные волны не распространяются.

7. Почему поперечные волны не распространяются в жидких и газообразных средах?

7. Решение

Поперечные волны — это волны, в которых колебания частиц среды происходят в направлении, перпендикулярном направлению распространения самой волны. Для возникновения и распространения таких волн необходимо, чтобы между соседними частицами среды существовала упругая связь, которая бы сопротивлялась их сдвигу друг относительно друга. Эта способность вещества сопротивляться изменению формы при сохранении объёма называется упругостью формы, а количественной мерой этой способности является модуль сдвига.

В твёрдых телах атомы и молекулы занимают фиксированные положения в кристаллической решётке или аморфной структуре и прочно связаны друг с другом. Благодаря этим прочным связям твёрдые тела обладают упругостью формы. Если сдвинуть один слой частиц относительно другого, возникают силы упругости, стремящиеся вернуть частицы в исходное положение. Эти силы передают колебание дальше по среде, обеспечивая распространение поперечной волны.

Жидкости и газы (флюиды) принципиально отличаются от твёрдых тел. Их молекулы не имеют фиксированного положения и могут свободно перемещаться, скользя друг относительно друга. Из-за этого жидкости и газы не обладают упругостью формы (их модуль сдвига практически равен нулю). Они не сопротивляются сдвигу: если один слой жидкости или газа смещается относительно другого, не возникает возвращающей упругой силы. Слои просто текут. Поскольку отсутствует механизм передачи сдвиговой деформации от слоя к слою, поперечные колебания не могут распространяться в объёме жидкостей и газов.

В то же время, жидкости и газы обладают упругостью объёма — они сопротивляются сжатию и разрежению. Поэтому в них могут распространяться только продольные волны (например, звуковые), где колебания частиц происходят вдоль направления распространения волны, создавая области повышенной и пониженной плотности.

Ответ: Поперечные волны не распространяются в жидких и газообразных средах, потому что для их распространения требуется наличие упругости формы (сопротивления сдвигу). В жидкостях и газах молекулы не имеют жёстких связей друг с другом и могут свободно скользить, поэтому эти среды не сопротивляются сдвиговым деформациям и не могут передавать поперечные колебания.