Страница 167 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

1. Что называют волнами?

Волнами в физике называют процесс распространения колебаний в пространстве с течением времени. Ключевой особенностью волн является то, что они переносят энергию из одной точки в другую без переноса вещества. Частицы среды, в которой распространяется волна (например, частицы воздуха при распространении звука), совершают колебания около своих положений равновесия, но сами не перемещаются вместе с волной.

Волны можно классифицировать по разным признакам.

По направлению колебаний частиц среды относительно направления распространения волны выделяют:

- Поперечные волны, в которых колебания происходят перпендикулярно направлению распространения энергии (например, волны на поверхности воды, электромагнитные волны).

- Продольные волны, в которых колебания происходят вдоль направления распространения энергии (например, звуковые волны, где создаются области сжатия и разрежения).

По физической природе волны делятся на:

- Механические волны, которым для распространения необходима упругая среда (звук, сейсмические волны, волны на струне).

- Электромагнитные волны, которые представляют собой колебания электромагнитного поля и могут распространяться в вакууме (свет, радиоволны, рентгеновские лучи).

Ответ: Волны — это распространяющиеся в пространстве и времени возмущения (колебания), которые переносят энергию без переноса вещества.

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

Что называют волнами?

Волнами называют процесс распространения в пространстве с течением времени возмущений (колебаний) физических величин. Это может быть, например, смещение частиц упругой среды, изменение давления, или изменение напряжённости электрического и магнитного полей. Волны служат механизмом переноса энергии и информации от одной точки пространства к другой. При этом важно отметить, что в механических волнах частицы среды совершают колебания около своих положений равновесия, но не перемещаются вместе с волной.

Ответ: Волны — это распространяющиеся в пространстве и времени возмущения какого-либо поля или среды.

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

Основное свойство бегущих волн любой природы (механических, электромагнитных) заключается в переносе энергии без переноса вещества. Волна, распространяясь, вовлекает в колебательное движение всё новые и новые части среды, передавая им энергию от источника колебаний. Сами частицы среды при этом не перемещаются поступательно вместе с волной, а лишь совершают колебания около своих положений равновесия. Поэтому в бегущей волне не происходит переноса вещества в направлении её распространения. Например, поплавок на воде поднимается и опускается на волнах, но в среднем остаётся 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?

Упругими волнами (часто их называют механическими волнами) называют процесс распространения механических колебаний в упругой среде. Для их возникновения и распространения необходимо наличие среды — твёрдой, жидкой или газообразной. Колебания в одной точке среды вызывают деформацию, которая благодаря силам упругости, действующим между частицами, передаётся соседним точкам. Таким образом, возмущение распространяется от частицы к частице по всей среде. В вакууме, где нет вещества и, соответственно, упругих сил, такие волны распространяться не могут.

Ответ: Упругие волны — это механические возмущения, распространяющиеся в упругой среде (твёрдой, жидкой или газообразной).

4. Приведите пример

Примеров упругих волн множество, так как они окружают нас повсюду. К ним относятся: звуковые волны в воздухе, воде и твёрдых телах; волны, бегущие по натянутой струне гитары или скрипки; волны на поверхности воды, возникающие от брошенного камня; а также сейсмические волны, распространяющиеся в земной коре во время землетрясений.

Ответ: Примером упругих волн являются звуковые волны.

3. Что такое упругие волны?

Что такое упругие волны?

Упругие волны — это механические возмущения (колебания), которые распространяются в упругой среде. Среда называется упругой, если в ней при деформации возникают силы, стремящиеся вернуть ее частицы в исходное положение равновесия. Именно благодаря этим силам упругости и инерции частиц среды происходит передача колебаний от одной точки к другой.

Механизм распространения упругой волны можно описать так:

1. В некоторой области среды создается начальное возмущение (например, удар, вибрация), которое смещает частицы из их положения равновесия.

2. Из-за упругих связей смещенные частицы воздействуют на соседние, заставляя их тоже смещаться и совершать колебания.

3. Этот процесс последовательно передается все дальше и дальше по среде.

Важно отметить, что упругие волны переносят энергию колебаний, но не переносят вещество. Частицы среды лишь колеблются около своих положений равновесия. Для распространения упругих волн всегда необходима среда (твердая, жидкая или газообразная), в вакууме они существовать не могут.

Существует два основных типа упругих волн, различающихся направлением колебаний частиц относительно направления распространения волны:

• Продольные волны — частицы среды колеблются вдоль направления распространения волны. В среде при этом образуются чередующиеся участки сжатия и разрежения. Примером являются звуковые волны. Они могут распространяться в твердых телах, жидкостях и газах.

• Поперечные волны — частицы среды колеблются перпендикулярно направлению распространения волны. Такие волны связаны с деформацией сдвига, поэтому могут распространяться только в средах, которые ей сопротивляются, то есть в твердых телах. Примером служат волны на гитарной струне или сейсмические S-волны.

Ответ: Упругие волны — это процесс распространения механических колебаний в упругой среде (твердой, жидкой или газообразной), обусловленный действием сил упругости. Они переносят энергию без переноса вещества и делятся на продольные (колебания вдоль направления распространения, например, звук) и поперечные (колебания перпендикулярно направлению распространения, например, волна на струне).

4. Приведите пример волн, не относящихся к упругим.

Что такое упругие волны?

Упругие волны — это механические возмущения (колебания), которые распространяются в упругой среде (твёрдой, жидкой или газообразной). Их существование возможно благодаря силам упругости, возникающим в среде при её деформации. Когда частицы среды смещаются из своего положения равновесия, возникают упругие силы, которые стремятся вернуть их обратно. За счёт взаимодействия между частицами это смещение передаётся дальше, от одной точки среды к другой. Важно отметить, что упругие волны переносят энергию без переноса вещества: частицы среды лишь колеблются около своих положений равновесия, а не перемещаются вместе с волной. Примерами упругих волн являются звуковые волны, сейсмические волны и волны в струне музыкального инструмента.

Ответ: Упругие волны — это распространение механических колебаний в среде, обусловленное действием сил упругости.

4. Приведите пример волн, не относящихся к упругим.

Примером волн, которые не являются упругими, служат электромагнитные волны. Основное их отличие от упругих волн заключается в том, что им не требуется материальная среда для распространения, они могут двигаться и в вакууме. Электромагнитная волна представляет собой распространяющееся в пространстве возмущение электромагнитного поля. К электромагнитным волнам относятся: радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи и гамма-лучи. Другим примером неупругих волн являются гравитационные волны — колебания гравитационного поля, "рябь" пространства-времени.

Ответ: Примером волн, не относящихся к упругим, являются электромагнитные волны (например, свет или радиоволны).

5. Какие волны называют продольными?

Продольными называют волны, в которых колебания частиц среды происходят параллельно направлению распространения волны. Это означает, что частицы движутся "вперёд-назад" вдоль той же линии, по которой перемещается сама волна. В результате такого движения в среде образуются чередующиеся области сжатия (где частицы находятся ближе друг к другу, и плотность среды повышена) и разрежения (где частицы удалены друг от друга, и плотность понижена). Эти области сжатия и разрежения и перемещаются в пространстве, формируя волну. Классическим примером продольных волн являются звуковые волны в воздухе, воде или твёрдых телах.

Ответ: Продольными называют волны, в которых колебания частиц среды осуществляются вдоль направления распространения волны.

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

Волны классифицируются по направлению колебаний частиц среды относительно направления их распространения на два основных типа: продольные и поперечные.

Продольные волны

Продольными называют волны, в которых колебания частиц среды происходят вдоль (параллельно) направления распространения волны. Распространение такой волны представляет собой чередование областей сжатия (где частицы сближаются, и плотность/давление максимальны) и разрежения (где частицы удаляются друг от друга, и плотность/давление минимальны).

Примеры продольных волн:

• Звуковые волны: распространение звука в газах (например, в воздухе), жидкостях и твердых телах.

• Волны в пружине: волна сжатия, бегущая по пружине, если сжать ее часть и отпустить.

• Сейсмические P-волны (первичные волны): продольные волны, возникающие при землетрясениях и распространяющиеся в толще Земли.

Ответ: Продольные волны — это волны, в которых частицы среды колеблются параллельно направлению распространения волны. Примеры: звуковые волны, волны сжатия в пружине, сейсмические P-волны.

Поперечные волны

Поперечными называют волны, в которых колебания частиц среды происходят перпендикулярно направлению распространения волны. Для таких волн характерны "горбы" (гребни) и "впадины". Поперечные волны могут распространяться только в средах, которые сопротивляются деформации сдвига, то есть в твердых телах. На поверхности жидкости они также могут существовать благодаря силе поверхностного натяжения или силе тяжести. Внутри жидкостей и в газах поперечные упругие волны не распространяются.

Примеры поперечных волн:

• Волны на струне или веревке: колебания, возникающие при встряхивании конца натянутой веревки.

• Электромагнитные волны: свет, радиоволны, рентгеновские лучи. В них перпендикулярно направлению распространения колеблются векторы напряженности электрического ($ \vec{E} $) и индукции магнитного ($ \vec{B} $) полей. Этим волнам не требуется среда для распространения.

• Сейсмические S-волны (вторичные волны): поперечные волны, возникающие при землетрясениях.

• Волны на поверхности воды: являются комбинацией продольного и поперечного движения частиц, поэтому не являются чисто поперечными.

Ответ: Поперечные волны — это волны, в которых частицы среды (или векторы полей) колеблются перпендикулярно направлению распространения волны. Примеры: волны на струне, электромагнитные волны (свет), сейсмические S-волны.

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

Поперечные волны являются волнами сдвига. Это связано с тем, что при их распространении колебания частиц среды происходят перпендикулярно направлению движения волны, что вызывает деформацию сдвига — смещение одних слоев среды относительно других. Для возникновения таких волн среда должна обладать упругостью формы, что характерно для твердых тел.

Продольные волны являются волнами сжатия и разрежения. В этом случае колебания частиц происходят вдоль направления распространения волны. Это приводит к созданию в среде чередующихся областей с повышенной плотностью и давлением (области сжатия) и с пониженной плотностью и давлением (области разрежения).

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

7. Вопрос, вероятно, звучит так: "Почему поперечные волны не распространяются в газах и жидкостях?".

Решение

Распространение поперечных волн связано с возникновением в среде деформации сдвига. Для того чтобы такая деформация могла передаваться от точки к точке, среда должна обладать упругостью формы, то есть способностью сопротивляться сдвигу. Эта способность характеризуется физической величиной — модулем сдвига.

1. Твердые тела имеют упорядоченную структуру (например, кристаллическую решетку) с прочными межатомными или межмолекулярными связями. Благодаря этим связям твердые тела сопротивляются изменению формы (сдвигу) и имеют ненулевой модуль сдвига. Поэтому в них могут возникать упругие силы, возвращающие частицы в положение равновесия, что и обеспечивает распространение поперечных волн.

2. Жидкости и газы (флюиды) не имеют постоянной формы. Молекулы в них не связаны жестко и могут легко перемещаться друг относительно друга. Из-за этого жидкости и газы практически не сопротивляются деформации сдвига (их модуль сдвига считается равным нулю). Если попытаться сдвинуть один слой жидкости или газа относительно другого, он не будет стремиться вернуться в исходное положение, а просто "потечет".

Поскольку в жидкостях и газах отсутствуют упругие силы, противодействующие сдвигу, передача поперечных колебаний от частицы к частице в объеме этих сред невозможна.

Примечание: На свободной поверхности жидкости могут существовать поперечные волны (например, волны на воде). Однако их природа связана не с упругостью сдвига в объеме, а с действием силы тяжести и сил поверхностного натяжения.

Ответ: Поперечные волны являются волнами сдвига. Газы и жидкости, в отличие от твердых тел, не обладают упругостью формы (их модуль сдвига равен нулю), то есть они не сопротивляются сдвигу. Из-за отсутствия упругих сил, которые могли бы вернуть смещенные слои среды в исходное положение, поперечные волны в объеме газов и жидкостей не распространяются.

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

7. Решение

Волны можно разделить на два типа по направлению колебаний частиц среды: поперечные и продольные. Понимание их различий является ключом к ответу на вопрос.

Продольные волны — это волны, в которых частицы среды колеблются вдоль направления распространения волны. Эти волны представляют собой чередование областей сжатия и разрежения. Для их существования среда должна сопротивляться изменению объема, то есть обладать упругостью объема. Этим свойством обладают и твердые тела, и жидкости, и газы.

Поперечные волны — это волны, в которых частицы среды колеблются перпендикулярно направлению распространения волны. Для передачи таких колебаний от одного слоя среды к другому необходимо наличие между слоями силы упругости, которая возникает при их сдвиге друг относительно друга. Иными словами, среда должна обладать упругостью формы (или упругостью сдвига), то есть сопротивляться изменению своей формы.

Свойства различных сред в этом контексте кардинально отличаются:

Твердые тела имеют жесткую кристаллическую решетку или прочные межмолекулярные связи. Благодаря этому они сопротивляются как сжатию, так и сдвигу. Поэтому в твердых телах могут распространяться оба типа волн: и продольные, и поперечные.

Жидкости и газы, напротив, являются текучими средами. Молекулы в них не связаны в жесткую структуру и могут легко перемещаться. Из-за этого жидкости и газы практически не сопротивляются деформации сдвига — они просто принимают форму сосуда. Отсутствие сопротивления сдвигу означает, что в них не возникает упругая сила, способная вернуть смещенный слой частиц обратно. Таким образом, у них отсутствует упругость формы.

С точки зрения математической физики, скорость поперечных волн $v_s$ зависит от модуля сдвига $G$ и плотности $\rho$ как $v_s = \sqrt{G/\rho}$. Поскольку для жидкостей и газов модуль сдвига $G \approx 0$, скорость распространения поперечных волн в их объеме также равна нулю.

Важно отметить, что на поверхности жидкости могут существовать волны (например, рябь на воде), которые имеют поперечную составляющую. Однако их природа связана не с упругостью сдвига в объеме, а с силами поверхностного натяжения и силой тяжести, которые выступают в роли возвращающих сил. Эти волны не проникают вглубь жидкости.

Ответ:

Поперечные волны не распространяются в жидких и газообразных средах, потому что эти среды не обладают упругостью формы (сдвига). Для распространения поперечной волны необходима сила, возвращающая смещенные перпендикулярно движению волны слои среды в исходное положение. В жидкостях и газах такой силы не возникает, так как их молекулы могут свободно скользить друг относительно друга.