Формула для вычисления скорости волны. Как рассчитать длину волны

В ходе урока вы сможете самостоятельно изучить тему «Длина волны. Скорость распространения волны». На этом уроке вы сможете познакомиться с особенными характеристиками волн. В первую очередь вы узнаете, что такое длина волны. Мы рассмотрим ее определение, способ ее обозначения и измерения. Затем мы также подробно рассмотрим скорость распространения волны.

Для начала вспомним, что механическая волна – это колебание, которое распространяется с течением времени в упругой среде. Раз это колебание, волне будут присущи все характеристики, которые соответствуют колебанию: амплитуда, период колебания и частота.

Кроме этого, у волны появляются свои особые характеристики. Одной из таких характеристик является длина волны . Обозначается длина волны греческой буквой (лямбда, или говорят «ламбда») и измеряется в метрах. Перечислим характеристики волны:

Что такое длина волны?

Длина волны - это наименьшее расстояние между частицами, совершающими колебание с одинаковой фазой.

Рис. 1. Длина волны, амплитуда волны

Говорить о длине волны в продольной волне сложнее, потому что там пронаблюдать частицы, которые совершают одинаковые колебания, гораздо труднее. Но и там есть характеристика - длина волны , которая определяет расстояние между двумя частицами, совершающими одинаковое колебание, колебание с одинаковой фазой.

Также длиной волны можно назвать расстояние, пройденное волной, за один период колебания частицы (рис. 2).

Рис. 2. Длина волны

Следующая характеристика - это скорость распространения волны (или просто скорость волны). Скорость волны обозначается так же, как и любая другая скорость, буквой и измеряется в . Как наглядно объяснить, что такое скорость волны? Проще всего это сделать на примере поперечной волны.

Поперечная волна - это волна, в которой возмущения ориентированы перпендикулярно направлению ее распространения (рис. 3).

Рис. 3. Поперечная волна

Представьте себе летящую над гребнем волны чайку. Ее скорость полета над гребнем и будет скоростью самой волны (рис.4).

Рис. 4. К определению скорости волны

Скорость волны зависит от того, какова плотность среды, каковы силы взаимодействия между частицами этой среды. Запишем связь между скоростью волны, длиной волны и периодом волны: .

Скорость можно определить, как отношение длины волны, расстояние, пройденное волной за один период, к периоду колебания частиц среды, в которой распространяется волна. Кроме этого, вспомним, что период связан с частотой следующим соотношением:

Тогда получим соотношение, которое связывает скорость, длину волны и частоту колебаний: .

Мы знаем, что волна возникает в результате действия внешних сил. Важно заметить, что при переходе волны из одной среды в другую изменяются ее характеристики: скорость движения волн, длина волны. А вот частота колебания остается прежней.

Список литературы

1. Соколович Ю.А., Богданова Г.С. Физика: справочник с примерами решения задач. - 2-е издание передел. - X.: Веста: издательство «Ранок», 2005. - 464 с.
2. Перышкин А.В., Гутник Е.М., Физика. 9 кл.: учебник для общеобразоват. учреждений / А.В. Перышкин, Е.М. Гутник. - 14-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2009. - 300 с.

1. Интернет-портал «eduspb» ()
2. Интернет-портал «eduspb» ()
3. Интернет-портал «class-fizika.narod.ru» ()

Домашнее задание

Колебания T точка с постоянной пройдет определенное расстояние. Это расстояние можно длиной волны. Длина волны буквой? и равна? = vT, где v - ее фазовая скорость. Фазовую скорость волны также можно выразить через ее волновое число k: v = w/k. Длина волны через волновое число выражается как? = 2*pi/k.

Период волны можно записать через ее частоту как T = 1/f. Тогда? = v/f.Можно выразить длину волны и через круговую частоту. По определению круговая частота равна f = w/(2*pi). Отсюда, ? = 2*pi*v/w.

Согласно корпускулярно-волновому дуализму, с любой микрочастицей также связана волна, называемая волной де Бройля. Волны де Бройля присущи электронам протонам, нейтронам и другим микрочастицам. Эта волна имеет определенную длину. Установлено, что длина волны де Бройля обратно пропорционально импульсу частицы и равна? = h/p, где h - постоянная Планка. Частота волны прямо пропорциональна энергии частицы: ? = E/h. Фазовая скорость волны де Бройля будет равна E/p

В диспергирующих средах вводят понятие групповой скорости. Для одномерных волн она равна Vgr = dw/dk, где w - круговая частота, а k - волновое число.

Видео по теме

Волны бывают разные. Иногда требуется измерить амплитуду и длину волны прибоя на побережье, а иногда – частоту и напряжение волны электрического сигнала. Для каждого случая есть свои способы получения параметров волн.

Вам понадобится

• футшток, секундомер, электронный манометр, генератор стандартных сигналов, осциллограф, частотомер.

Инструкция

Для определения высоты волны вблизи берега на мелководье воткните в дно футшток. Заметьте деления на футштоке, совпадающие с верхним и нижним (гребень и ) уровнями проходящей мимо него волны. Отнимите от большего значения меньшее значение и получите величину высоты волны. Для более точного измерения воспользуйтесь электронным манометром. Расположите его датчик на том месте, где желаете измерить высоту волны. Засеките показания прибора во время прохождения над датчиком гребня и волны. Отнимите от большего значения меньшее значение и получите величину перепада давлений, соответствующую высоте волны.

Для движения волны засеките секундомером время между прохождением над датчиком или футштоком двух соседних гребней волны. С помощью двух футштоков определите . Для этого расположите их таким образом, чтобы вершины двух соседних волн проходили мимо футштоков одновременно. Затем измерьте расстояние между футштоками (в метрах). Оно будет равно длине волны. Разделите 60 на измеренное секундомером время и умножьте на длину волны. Получите скорость движения волны (в метрах в минуту). Пример: время прохождения волны составляет 2 секунды, а длина 3,5 метрам. В таком случае скорость движения волны будет составлять (60/2)×3,5=105 метров в минуту.

Для пересчета в метры в секунду разделите данный результат на 60 (105/60=1,75 метров в секунду), а для пересчета в километры в час умножьте на 60 с последующим делением на тысячу (105×60=6300 метров в час, 6300/1000=6,3 километров в час).

Для определения параметров электрического сигнала воспользуйтесь специальными приборами. Подключите генератор стандартных сигналов к осциллографу. Установите в генераторе амплитуду выходного сигнала в 1 Вольт. Включите осциллограф и отрегулируйте его чувствительность таким образом, чтобы верхний уровень сигнала совпадал с первой широкой полосой по вертикали на сетке экрана. Отключите генератор и подключите источник исследуемого сигнала. Подсчитайте по вертикальным широким полосам амплитуду входного сигнала.

Подключите источник исследуемого сигнала к входу частотомера. Снимите показания частоты с индикатора частотомера. Для получения длины волны разделите скорость света на частоту изучаемого сигнала. Пример: замеренная частота составляет 100 мГц, длина волны равна 299792458/100000000=2,99 метра.

Механическая волна – процесс распространения колебаний в упругой среде, сопровождаемый передачей энергии колеблющегося тела от одной точки в упругой среде к другой. Важные характеристики волны: длина и фазовая скорость.

Вам понадобится

• - калькулятор.

Под скоростью волны понимают ско-рость распространения возмущения. Например, удар по торцу стального стержня вызывает в нем местное сжатие, которое затем распространяется вдоль стержня со скоростью около 5 км/с .

Скорость волны определяется свойствами среды, в которой эта волна распространяется. При переходе волны из одной среды в другую ее скорость изменяется.

Длиной волны называется расстояние, на которое распространяется волна за время, равное периоду колебаний в ней.

Поскольку скорость волны — величина постоянная (для данной среды), то пройденное волной расстояние равно произведению скорости на время ее распространения. Таким образом, чтобы найти длину волны, надо скорость волны умножить на период колебаний в ней:

где v — скорость волны, Т — период колебаний в волне, λ (греческая буква лямбда) — длина волны.

Формула выражает связь длины волны с ее скоростью и периодом. Учитывая, что пери-од колебаний в волне обратно пропорционален частоте v , т. е. Т = 1/ v , можно получить формулу, выражающую связь длины волны с ее скоростью и частотой:

,

откуда

Полученная формула показывает, что скорость волны равна произведению длины волны на частоту колебаний в ней.

Длина волны — это пространственный период волны. На графике волны (рис. выше) длина волны определяется как расстояние между двумя ближайшими точками гармонической бегущей волны , находящимися в одинаковой фазе колебаний. Это как бы мгновенные фотогра-фии волн в колеблющейся упругой среде в моменты времени t и t + Δt . Ось х совпадает с направле-нием распространения волны, на оси ординат отложены смещения s колеблющихся частиц среды.

Частота колебаний в волне совпадает с частотой колебаний источника, т. к. колебания час-тиц в среде являются вынужденными и не зависят от свойств среды, в которой распространяется волна. При переходе волны из одной среды в другую ее частота не изменяется, меняются лишь скорость и длина волны.

Длина волны – это расстояние между двумя соседними точками, которые колеблются в одной фазе; как правило, понятие "длина волны" ассоциируется с электромагнитным спектром. Метод вычисления длины волны зависит от данной информации. Воспользуйтесь основной формулой, если известны скорость и частота волны. Если нужно вычислить длину световой волны по известной энергии фотона, воспользуйтесь соответствующей формулой.

Шаги

Часть 1

Воспользуйтесь формулой для вычисления длины волны. Чтобы найти длину волны, разделите скорость волны на частоту. Формула:

• В этой формуле λ {\displaystyle \lambda } (лямбда, буква греческого алфавита) – длина волны.
• v {\displaystyle v} – скорость волны.
• f {\displaystyle f} – частота волны.

1. Используйте соответствующие единицы измерения. Скорость измеряется в единицах метрической системы, например, в километрах в час (км/ч), метрах в секунду (м/с) и так далее (в некоторых странах скорость измеряется в британской системе, например, в милях в час). Длина волны измеряется в нанометрах, метрах, миллиметрах и так далее. Частота, как правило, измеряется в герцах (Гц).

   • Единицы измерения конечного результата должны соответствовать единицам измерения исходных данных.
   • Если частота дана килогерцах (кГц), или скорость волны в километрах в секунду (км/с), преобразуйте данные значения в герцы (10 кГц = 10000 Гц) и в метры в секунду (м/с).

2. Известные значения подставьте в формулу и найдите длину волны. В приведенную формулу подставьте значения скорости и частоты волны. Разделив скорость на частоту, вы получите длину волны.

   • Например. Найдите длину волны, распространяющейся со скоростью 20 м/с при частоте колебаний 5 Гц.
     • Длина волны = Скорость волны / Частота волны
       λ = v f {\displaystyle \lambda ={\frac {v}{f}}}
       λ = 20 5 {\displaystyle \lambda ={\frac {20}{5}}}
       λ = 4 {\displaystyle \lambda =4} м.

3. Воспользуйтесь приведенной формулой, чтобы вычислить скорость или частоту. Формулу можно переписать в другом виде и вычислить скорость или частоту, если дана длина волны. Чтобы найти скорость по известным частоте и длине волны, используйте формулу: v = λ f {\displaystyle v={\frac {\lambda }{f}}} . Чтобы найти частоту по известным скорости и длине волны, используйте формулу: f = v λ {\displaystyle f={\frac {v}{\lambda }}} .

   • Например. Найдите скорость распространения волны при частоте колебаний 45 Гц, если длина волны равна 450 нм. v = λ f = 450 45 = 10 {\displaystyle v={\frac {\lambda }{f}}={\frac {450}{45}}=10} нм/с.
   • Например. Найдите частоту колебаний волны, длина которой равна 2,5 м, а скорость распространения равна 50 м/с. f = v λ = 50 2 , 5 = 20 {\displaystyle f={\frac {v}{\lambda }}={\frac {50}{2,5}}=20} Гц.

   Часть 2

   Вычисление длины волны по известной энергии фотона

   1. Вычислите длину волны по формуле для вычисления энергии фотона. Формула для вычисления энергии фотона: E = h c λ {\displaystyle E={\frac {hc}{\lambda }}} , где E {\displaystyle E} – энергия фотона, измеряемая в джоулях (Дж), h {\displaystyle h} – постоянная Планка, равная 6,626 x 10 -34 Дж∙с, c {\displaystyle c} – скорость света в вакууме, равная 3 x 10 8 м/с, λ {\displaystyle \lambda } – длина волны, измеряемая в метрах.

      • В задаче энергия фотона будет дана.

   2. Перепишите представленную формулу, чтобы найти длину волны. Для этого проделайте ряд математических операций. Обе стороны формулы умножьте на длину волны, а затем обе стороны разделите на энергию; вы получите формулу: . Если энергия фотона известна, можно вычислить длину световой волны.

   3. В полученную формулу подставьте известные значения и вычислите длину волны. В формулу подставьте только значение энергии, потому что две константы являются постоянными величинами, то есть не меняются. Чтобы найти длину волны, перемножьте константы, а затем результат разделите на энергию.

      • Например. Найдите длину световой волны, если энергия фотона равна 2,88 x 10 -19 Дж.
        • λ = h c E {\displaystyle \lambda ={\frac {hc}{E}}}
          = (6 , 626 ∗ 10 − 34) (3 ∗ 10 8) (2 , 88 ∗ 10 − 19) {\displaystyle {\frac {(6,626*10^{-34})(3*10^{8})}{(2,88*10^{-19})}}}
          = (19 , 878 ∗ 10 − 26) (2 , 88 ∗ 10 − 19) {\displaystyle ={\frac {(19,878*10^{-26})}{(2,88*10^{-19})}}}
          = 6 , 90 ∗ 10 − 7 {\displaystyle =6,90*10^{-7}} м.
        • Полученное значение преобразуйте в нанометры, умножив его на 10 -9 . Длина волны равна 690 нм.

Что нужно знать и уметь?

1.Определение длины волны.
Длина волны - это расстояние между ближайшими точками, колеблющимися в одинаковых фазах.

ЭТО ИНТЕРЕСНО

Сейсмические волны.

Сейсмическими волнами называются волны, распространяющиеся в Земле от очагов землетрясений или каких-нибудь мощных взрывов. Так как Земля в основном твердая, в ней одновременно могут возникать 2 вида волн - продольные и поперечные. Скорость этих волн разная: продольные распространяются быстрее поперечных. Например, на глубине 500 км скорость поперечных сейсмических волн 5км/с, а скорость продольных волн - 10км/с.

Регистрацию и запись колебаний земной поверхности, вызанных сейсмическими волнами, осуществляют с помощью приборов - сейсмографов. Распространяясь от очага землетрясения, первыми на сейсмическую станцию приходят продольные волны, а спустя некоторое время - поперечные. Зная скорость распространения сейсмических волн в земной коре и время запаздывания поперечной волны, можно определить расстояние до центра землетрясения. Чтобы узнать точнее, где он находится, используют данные нескольких сейсмических станций.

Ежегодно на земном шаре регистрируют сотни тысяч землетрясений. Подавляющее большинство из них относится к слабым, однако время от времени наблюдаются и такие. которые нарушают целостность грунта, разрушают здания и ведут к человеческим жертвам.

Интенсивность землетрясений оценивается по 12-бальной шкале.

1948 год - г. Ашхабад -землетрясение 9-12 баллов
1966 год - г. Ташкент - 8 баллов
1988 год - г. Спитак - погибло несколько десятков тысяч человек
1976 год - Китай -число жертв сотни тысяч человек

Противостоять разрушительным последствиям землетрясений возможно только путем строительства сейсмостойких зданий. Но в каких районах Земли случится следующее землетрясение?

Предсказание землетрясений - сложнейшая задача. Решением этой задачи заняты многие научно-исследовательские институты многих стран мира. Исследование сейсмических волн внутри нашей Земли позволяет изучить глубинное строение планеты. Кроме того, сейсмическая разведка помогает обнаруживать места, благоприятные для скопления нефти и газа. Сейсмические исследования проводятся не только на Земле, но и на других небесных телах.

В 1969 году американские астронавты разместили сейсмические станции на Луне. Ежегодно они регистрировали от 600 до 3000 слабых лунотрясений. В 1976 году с помощью космического корабля "Викинг" (США) сейсмограф был установлен на Марсе..

СДЕЛАЙ САМ

Волны на бумаге.

С помощью звучащей трубки можно поставить немало опытов.
Если, например, на мягкую подложку, лежащую на столе, положить лист плотной светлой бумаги, сверху насыпать слой кристаллов марганцовки, посредине листа вертикально поставить стеклянную трубку и возбудить в ней трением колебания, то при появлении звука кристаллы марганцовки придут в движение и образуют красивые линии. Трубка должна лишь слегка касаться поверхности листа. Появляющийся на листе рисунок будет зависеть от длины трубки.

Трубка возбуждает колебания в бумажном листе. В листе бумаги образуется стоячая волна, которая является результатом интерференции двух бегущих волн. От конца колеблющейся трубки возникает круговая волна, которая без изменения фазы отражается от края бумаги. Эти волны когерентны и интерферируют, распределяя на бумаге кристаллики марганцовки в причудливые узоры.

ОБ УДАРНОЙ ВОЛНЕ

В своей лекции "О корабельных волнах" лорд Кельвин рассказывал:
"...одно открытие фактически сделано лошадью, ежедневно тащившей лодку по канату между Глазго
и Ардроссаном. Однажды лошадь понеслась, и возница, будучи наблюдательным человеком, заметил, что, когда лошадь достигла определенной скорости, тянуть лодку стало явно легче
и позади нее не осталось волнового следа".

Объяснение этого явления заключается в том, что скорость лодки и скорость волны, которую возбуждает лодка в реке, совпали.
Если бы лошадь побежала еще быстрее (скорость лодки стала бы больше скорости волны),
то за лодкой возникла бы ударная волна.
Ударная волна от сверхзвукового самолета возникает точно так же.