Номер 4, страница 133 - гдз по физике 9 класс учебник Пурышева, Важеевская

Глава 2. Механические колебания и волны. Параграф 28. Свойства механических волн. Темы докладов и проектов - номер 4, страница 133.

Условие.

4. Волны на поверхности воды.

Решение.

Волны на поверхности воды — это колебательные движения частиц воды на границе раздела вода-воздух, которые распространяются в пространстве. Эти волны являются примером механических волн и имеют сложную природу, сочетая в себе как поперечные, так и продольные компоненты движения.

Природа и механизм образования

Волны на поверхности жидкости, такой как вода, представляют собой распространяющиеся возмущения её свободной поверхности. Частицы воды при прохождении волны не движутся поступательно вместе с ней, а совершают колебательные движения по замкнутым (в идеале — круговым или эллиптическим) траекториям около своего положения равновесия. С глубиной радиус этих орбит быстро уменьшается.

Возникновение и распространение волн обусловлено действием двух основных возвращающих сил:
– Сила тяжести: стремится вернуть приподнятые участки воды в положение равновесия (к среднему уровню). Эта сила доминирует для волн с длиной более нескольких сантиметров. Такие волны называются гравитационными.
– Сила поверхностного натяжения: действует на очень коротких волнах (рябь), стремясь сгладить искривленную поверхность. Такие волны называются капиллярными.

Процесс распространения волны заключается в передаче энергии от одних частиц воды к другим, а не в переносе самого вещества на большие расстояния.

Ответ: Волны на воде — это распространяющиеся колебания водной поверхности, вызванные возвращающими силами (тяжести и поверхностного натяжения), при которых частицы воды колеблются около положения равновесия, передавая энергию, но не массу.

Причины возникновения волн

Волны на поверхности воды могут быть вызваны различными причинами:
– Ветер: Наиболее распространенная причина. Ветер, дующий над поверхностью воды, передает ей свою энергию за счет трения и давления, создавая сначала мелкую рябь, которая затем может развиться в большие ветровые волны.
– Сейсмическая активность: Подводные землетрясения, извержения вулканов или оползни могут вызывать образование огромных и разрушительных волн — цунами. Это очень длинные гравитационные волны.
– Гравитационное воздействие Луны и Солнца: Притяжение этих небесных тел вызывает приливы и отливы, которые по своей сути являются гигантскими длинными волнами, обегающими Землю.
– Движение объектов: Движение судов, падение предметов в воду, деятельность животных также создают волны, расходящиеся от источника возмущения.

Ответ: Основными причинами возникновения волн являются ветер (ветровые волны), сейсмическая активность (цунами), гравитационное притяжение Луны и Солнца (приливы), а также движение различных объектов в воде или по её поверхности.

Основные характеристики волн

Любую волну можно описать набором физических величин:
– Длина волны ($ \lambda $): Расстояние между двумя последовательными гребнями или впадинами волны.
– Высота волны ($ H $): Вертикальное расстояние от самой низкой точки (подошвы) до самой высокой точки (гребня) волны.
– Амплитуда ($ a $): Максимальное отклонение поверхности воды от среднего (спокойного) уровня. Для симметричной волны амплитуда равна половине высоты: $ a = H/2 $.
– Период ($ T $): Время, за которое волна проходит расстояние, равное её длине, или время между прохождением двух последовательных гребней через фиксированную точку.
– Частота ($ f $): Величина, обратная периоду, показывающая количество гребней, проходящих через точку в единицу времени. Связана с периодом формулой: $ f = 1/T $.
– Скорость (фазовая скорость, $ v $): Скорость перемещения гребня или любой другой точки с постоянной фазой. Она связана с длиной волны и периодом: $ v = \lambda / T = \lambda \cdot f $.

Скорость распространения волн на воде зависит от их длины и глубины водоема. Различают два предельных случая:

– Короткие волны (на глубокой воде), где глубина $ h $ значительно больше длины волны ($ h > \lambda/2 $). В этом случае скорость зависит от длины волны: $ v \approx \sqrt{\frac{g\lambda}{2\pi}} $, где $ g $ — ускорение свободного падения.
– Длинные волны (на мелководье), где глубина $ h $ значительно меньше длины волны ($ h < \lambda/20 $). В этом случае скорость зависит только от глубины: $ v \approx \sqrt{gh} $. Это объясняет, почему цунами, имея огромную длину волны, замедляются и вырастают в высоту при подходе к берегу.

Ответ: Ключевыми характеристиками волн являются длина, высота, амплитуда, период, частота и скорость. Скорость распространения волны зависит от её длины и глубины воды, причём для глубокой воды решающую роль играет длина волны, а для мелководья — глубина.