Волны в физике — что это такое, виды, характеристики, примеры

Каждый день вас окружает множество волн. В этой статье вы узнаете, что это такое и какими свойствами они обладают.

Простое объяснение волн с точки зрения физики

В качестве концепции вы можете представить волну как форму с последовательными восходящими и нисходящими частями. К этой категории относится, например, волна воды.

Однако эти части, поднимающиеся и опускающиеся вверх и вниз, не являются случайными по форме и расположению, а следуют очень определенной схеме. Этот паттерн показывает, как частицы среды, в которой распространяется волна, колеблются вверх и вниз. Частицы “возмущаются” волной определенным образом.

Определение: под волной можно представить возмущение в среде, которое движется с фиксированной формой и постоянной скоростью.

На рисунке 1 показано, например, как такое возмущение в виде холма движется по веревке слева направо. Во время движения частицы веревки поднимаются вверх от переднего конца возмущения и тянутся вниз от заднего конца.

Волна как возмущение в веревке
Рис. 1. Волна как возмущение в веревке

От света, который вам нужен, чтобы видеть, до звука, который вам нужен, чтобы слышать, до интернет-сигнала, который вам нужен для работы в Интернете, – все это волны. Как видите, волны – неотъемлемая часть жизни человека.

Виды волн

В этом подразделе мы рассмотрим различные виды волн и то, к какой области теоретической физики они относятся.

Поперечные и продольные волны

Например, в волне воды, которая движется слева направо, отдельные частицы воды колеблются вверх и вниз. Поэтому движение частиц перпендикулярно движению волны. Эти типы волн называются поперечными и могут быть поляризованными.

Звуковые волны (также называемые для краткости звуком), которые позволяют вам слышать, являются примером продольных волн. В продольных волнах частицы вовлеченной среды колеблются в направлении движения волны. Поэтому движение частиц параллельно движению волн.

Поперечная волна и продольная волна
Рис. 2. Поперечная волна и продольная волна

Волны в физике

Следующий список дает вам представление о том, с какими волнами вам, возможно, придется иметь дело в той или иной области физики:

  • Классическая механика: механические волны и гравитационные волны;
  • Электродинамика: электромагнитные волны;
  • Квантовая физика: волны материи и волны вероятности.

Волна – это тип возмущения, которое распространяется с фиксированной формой. В этом разделе мы рассмотрим его свойства и поведение. Мы рассмотрим следующие моменты немного подробнее:

  • Характеристики волн: амплитуда, частота, длина волны и скорость распространения;
  • Поведение волн: отражение, преломление, дифракция и суперпозиция волн.

Характеристики волн

Чтобы описать характеристики, рассмотрим частный случай синусоидальных волн. В синусоидальных волнах восходящие и нисходящие части повторяют форму синусоидальной кривой.

Из этой схемы (паттерна) (рисунок 3) мы выделили следующий фрагмент: кривая начинается с нуля, идет к самой низкой точке, затем возвращается к нулю, продолжается до самой высокой точки и, наконец, возвращается к нулю.

Синусоидальная волна
Рис. 3. Синусоидальная волна

Амплитуда.

Расстояние по вертикали между высокой или низкой точкой и нулевой точкой называется амплитудой. Амплитуда обеспечивает барьер, внутри которого задерживаются восходящие и нисходящие части волны.

Например, если амплитуда водной волны составляет 2 метра, это означает, что при движении морской волны частицы воды поднимаются на максимальную высоту 2 метра.

Частота и длина волны.

Вы также можете представить себе синусоидальную волну следующим образом: мы копируем выбранный кусок и вставляем его бесконечное количество раз как слева, так и справа от него. Таким образом, этот выбранный фрагмент уже определяет поведение волны. Термин для этого – период.

Мы можем охарактеризовать этот период двумя способами:

  1. Сколько времени требуется волне, чтобы пройти вдоль выбранного участка? Это описывает период времени или его обратную величину – частоту волны.
  2. Какова горизонтальная ширина выбранного фгагмента? Это дает вам пространственный период волнового процесса или длину волны.

Важно знать! Расстояние по горизонтали между двумя последовательными максимумами (самая высокая точка) или минимумом (самая низкая точка) часто называется длиной волны.

Характеристики волн
Рис. 4. Характеристики волн

Скорость распространения волны.

Длина волны и частота волны тесно связаны между собой.

Важно знать! Скорость распространения волны = длина волны * частота волны.

Скорость распространения v волны связана с ее длиной волны λ и частотой f следующим образом: v = λ * f .

Например, если вы раскачиваете веревку вверх и вниз, создавая “веревочную волну”, скорость распространения говорит вам о том, как быстро удаляется от вас высокая точка (или любой другой участок) волны.

Отражение, преломление и дифракция волн.

Если волна попадает в другую среду, могут произойти следующие два явления:

  1. Происходит отражение. Часть входящей волны отражается на границе раздела двух сред. Эта отраженная часть распространяется дальше в исходной среде. Отраженная волна имеет ту же длину волны, что и входящая;
  2. Происходит преломление. Часть входящей волны преломляется на границе раздела. Эта преломленная часть распространяется в новой среде с другой длиной волны. Так называемый коэффициент преломления определяет, будет ли длина волны короче или длиннее.

Например, когда свет от солнца попадает на поверхность воды, среда меняется с воздуха на воду. Это приводит к тому, что часть света отражается, а часть преломляется. Это также является причиной того, что вы можете увидеть солнце, например, в луже воды.

Теперь для того, чтобы что-то произошло, волна не обязательно должна попасть на новый носитель. Если внутри текущей среды поместить препятствие, например, в виде стены с одним прямоугольным проходом, то может возникнуть явление дифракции (см. рисунок 5). Проще говоря, дифракция описывает явление, когда волна после прохождения не движется по прямой линии.

Отражение, преломление и дифракция волн
Рис. 5. Отражение, преломление и дифракция волн

Суперпозиция волн.

До сих пор мы рассматривали только одну волну. Но что происходит, когда две (или более) волны сталкиваются? Возникает явление, которое называется суперпозицией волн. Однако эта суперпозиция не возникает каким-то образом, а следует определенному принципу, который мы знаем под названием “принцип суперпозиции”.

Чтобы объяснить принцип суперпозиции в случае волн, давайте снова рассмотрим синусоидальные волны. Каждая точка на синусоиде дает вам значение, которое является мерой силы отклонения частиц.

Принцип суперпозиции простыми словами: в каждой точке пространства, где встречаются две волны, вы складываете значения двух синусоид. Итог этого сложения дает результирующую волну.

В соответствии с принципом суперпозиции различные явления могут наблюдаться в суперпозиции. К ним относятся, в частности:

  • Интерференция. В точках, где, например, встречаются два “холма” или две “впадины”, суперпозиция приводит к усилению волны – возникает конструктивная интерференция. Теперь холм может встретиться с впадиной (или наоборот). В результате суперпозиция приводит к ослаблению волны – возникает деструктивная интерференция;
  • Стоячие волны. Суперпозиция двух волн может привести к тому, что результирующая волна будет по-прежнему колебаться вверх и вниз, но она больше не будет двигаться слева направо (или наоборот) – в некотором смысле она “стоит” в пространстве. Этот тип волны называется стоячей волной.

Музыкальные инструменты создают стоячие волны посредством суперпозиции. Эти стоячие волны, в свою очередь, вибрируют в окружающем воздухе, создавая звуковые волны, которые доходят до ваших ушей и в конечном итоге позволяют вам услышать музыку.

Механические волны и электромагнитные волны

В этом разделе мы рассмотрим конкретные примеры механических и электромагнитных волн.

Механические волны

Волны, для распространения которых необходима среда, называются механическими волнами. Без среды механические волны не могут распространяться. В идеальном вакууме, например, звуковая волна не может распространяться.

Когда возникает механическая волна, периодическое движение одной частицы среды передается соседним частицам по мере того, как волна движется через среду. Частицы определенным образом “механически” связаны друг с другом.

Самым важным примером механической волны является звук. Звук окружает вас каждый день, будь то разговор с друзьями или прослушивание музыки. Звуковые волны позволяют вам слышать. Они возникают в результате вибрации частиц воздуха.

Электромагнитные волны

Электромагнитные волны не нуждаются в среде для распространения. Если для их распространения не нужна среда, то что тогда колеблется? Электромагнитная волна состоит из электрического и магнитного полей. И именно эти поля колеблются вверх и вниз.

Помните! Периодически изменяющееся электрическое поле приводит к возникновению магнитного поля, которое также периодически изменяется, и наоборот, – таким образом происходит генерация электромагнитной волны.

Например, свет солнца – это электромагнитная волна. Это означает, что электромагнитные волны, помимо всего прочего, отвечают за то, что вы можете что-то видеть. Но вам также нужны электромагнитные волны, чтобы иметь возможность совершать телефонные звонки или пользоваться Интернетом.