Podstawy fizyki sezon 1 VIII. Ruch falowy

Podobne dokumenty
Rodzaje fal. 1. Fale mechaniczne. 2. Fale elektromagnetyczne. 3. Fale materii. dyfrakcja elektronów

Wykład 9: Fale cz. 1. dr inż. Zbigniew Szklarski

Fala jest zaburzeniem, rozchodzącym się w ośrodku, przy czym żadna część ośrodka nie wykonuje zbyt dużego ruchu

Podstawy fizyki wykład 7

Wykład 9: Fale cz. 1. dr inż. Zbigniew Szklarski

Wykład FIZYKA I. 11. Fale mechaniczne. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

4.3 Wyznaczanie prędkości dźwięku w powietrzu metodą fali biegnącej(f2)

Podstawy Akustyki. Drgania normalne a fale stojące Składanie fal harmonicznych: Fale akustyczne w powietrzu Efekt Dopplera.

Podstawy Akustyki. Drgania normalne a fale stojące Składanie fal harmonicznych: Fale akustyczne w powietrzu Efekt Dopplera

Ψ(x, t) punkt zamocowania liny zmienna t, rozkład zaburzeń w czasie. x (lub t)

5.1. Powstawanie i rozchodzenie się fal mechanicznych.

Fizyka 12. Janusz Andrzejewski

Prowadzący: Kamil Fedus pokój nr 569 lub 2.20 COK konsultacje: środy

Ruch falowy. Fala zaburzenie wywoane w jednym punkcie ośrodka, które rozchodzi się w każdym dopuszczalnym kierunku.

2. Rodzaje fal. Fale te mogą rozchodzić się tylko w jakimś ośrodku materialnym i podlegają prawom Newtona.

Wydział EAIiE Kierunek: Elektrotechnika. Wykład 12: Fale. Przedmiot: Fizyka. RUCH FALOWY -cd. Wykład /2009, zima 1

2.6.3 Interferencja fal.

Fale mechaniczne i akustyka

Fale akustyczne. Jako lokalne zaburzenie gęstości lub ciśnienia w ośrodkach posiadających gęstość i sprężystość. ciśnienie atmosferyczne

Podstawy fizyki sezon 1 VII. Ruch drgający

Ruch falowy. Parametry: Długość Częstotliwość Prędkość. Częstotliwość i częstość kołowa MICHAŁ MARZANTOWICZ

Fale cz. 1. dr inż. Ireneusz Owczarek CMF PŁ 2012/13

Wykład I Krzysztof Golec-Biernat Optyka 1 / 16

Dźwięk. Cechy dźwięku, natura światła

Rozważania rozpoczniemy od fal elektromagnetycznych w próżni. Dla próżni równania Maxwella w tzw. postaci różniczkowej są następujące:

Rozdział 9. Fale w ośrodkach sprężystych

FALE W OŚRODKACH SPRĘZYSTYCH

Fal podłużna. Polaryzacja fali podłużnej

WŁASNOŚCI FAL (c.d.)

Projekt Inżynier mechanik zawód z przyszłością współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Wykład 3: Jak wygląda dźwięk? Katarzyna Weron. Matematyka Stosowana

Fizyka 11. Janusz Andrzejewski

Drania i fale. Przykład drgań. Drgająca linijka, ciało zawieszone na sprężynie, wahadło matematyczne.

Ruch drgający. Ruch harmoniczny prosty, tłumiony i wymuszony

Wykład 9: Fale cz. 2. dr inż. Zbigniew Szklarski

Krzysztof Łapsa Wyznaczenie prędkości fal ultradźwiękowych metodami interferencyjnymi

obszary o większej wartości zaburzenia mają ciemny odcień, a

Podstawy fizyki sezon 2 6. Równania Maxwella

Prędkość fazowa i grupowa fali elektromagnetycznej w falowodzie

falowego widoczne w zmianach amplitudy i natęŝenia fal) w którym zachodzi

SCENARIUSZ LEKCJI Z FIZYKI DLA KLASY III GIMNAZJUM. Temat lekcji: Co wiemy o drganiach i falach mechanicznych powtórzenie wiadomości.

Fala oscylacje w przestrzeni i w czasie. Zaburzenie, które rozchodzi się w ośrodku.

WYDZIAŁ EKOLOGII LABORATORIUM FIZYCZNE

1 Wymagania egzaminacyjne na egzamin maturalny - poziom rozszerzony: fizyka

W tym module rozpoczniemy poznawanie właściwości fal powstających w ośrodkach sprężystych (takich jak fale dźwiękowe),

Wykład 9: Fale cz. 2. dr inż. Zbigniew Szklarski

LABORATORIUM ELEKTROAKUSTYKI. ĆWICZENIE NR 1 Drgania układów mechanicznych

RUCH HARMONICZNY. sin. (r.j.o) sin

POMIAR PRĘDKOŚCI DŹWIĘKU METODĄ REZONANSU I METODĄ SKŁADANIA DRGAŃ WZAJEMNIE PROSTOPADŁYCH

Zjawisko interferencji fal

WYZNACZENIE GĘSTOŚCI MATERIAŁU STRUNY

PRZYKŁADY RUCHU HARMONICZNEGO. = kx

Drgania i fale sprężyste. 1/24

LASERY I ICH ZASTOSOWANIE

Fale elektromagnetyczne

Aby nie uszkodzić głowicy dźwiękowej, nie wolno stosować amplitudy większej niż 2000 mv.

Fale w przyrodzie - dźwięk

Spis treści Wykład 1. Fale i ich modelowanie

Widmo fal elektromagnetycznych

Fizyka 2 Wróbel Wojciech

Prosty oscylator harmoniczny

Drgania. W Y K Ł A D X Ruch harmoniczny prosty. k m

Podstawy fizyki sezon 1 V. Ruch obrotowy 1 (!)

LASERY I ICH ZASTOSOWANIE W MEDYCYNIE

Wykład 17: Optyka falowa cz.1.

Zasady oceniania karta pracy

Podstawy fizyki sezon 1 III. Praca i energia

Zjawisko interferencji fal

FALE DŹWIĘKOWE. fale podłużne. Acos sin

MECHANIKA 2. Drgania punktu materialnego. Wykład Nr 8. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

Fizyka. dr Bohdan Bieg p. 36A. wykład ćwiczenia laboratoryjne ćwiczenia rachunkowe

Podstawy fizyki sezon 2 8. Fale elektromagnetyczne

BADANIE PODŁUŻNYCH FAL DŹWIĘKOWYCH W PRĘTACH

LABORATORIUM POMIARY W AKUSTYCE. ĆWICZENIE NR 4 Pomiar współczynników pochłaniania i odbicia dźwięku oraz impedancji akustycznej metodą fali stojącej

DRGANIA SWOBODNE UKŁADU O DWÓCH STOPNIACH SWOBODY. Rys Model układu

Światło jako fala Fala elektromagnetyczna widmo promieniowania Czułość oka ludzkiego w zakresie widzialnym

Wykład 20 FALE Procesy falowe. Fale poprzeczne i podłużne.

WYMAGANIA EDUKACYJNE Z FIZYKI

Wyznaczanie prędkości rozchodzenia się dźwięku w powietrzu i w ciele stałym

1. Po upływie jakiego czasu ciało drgające ruchem harmonicznym o okresie T = 8 s przebędzie drogę równą: a) całej amplitudzie b) czterem amplitudom?

Ćwiczenie 25. Interferencja fal akustycznych

Optyka. Wykład V Krzysztof Golec-Biernat. Fale elektromagnetyczne. Uniwersytet Rzeszowski, 8 listopada 2017

Celem ćwiczenia jest badanie zjawiska Dopplera dla fal dźwiękowych oraz wykorzystanie tego zjawiska do wyznaczania prędkości dźwięku w powietrzu.

Wykład FIZYKA I. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak. Katedra Optyki i Fotoniki Wydział Podstawowych Problemów Techniki Politechnika Wrocławska

- Strumień mocy, który wpływa do obszaru ograniczonego powierzchnią A ( z minusem wpływa z plusem wypływa)

Drgania i fale II rok Fizyk BC

Wykład FIZYKA I. 10. Ruch drgający tłumiony i wymuszony. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

LABORATORIUM Z FIZYKI Ć W I C Z E N I E N R 2 ULTRADZWIĘKOWE FALE STOJACE - WYZNACZANIE DŁUGOŚCI FAL

Fala na sprężynie. Projekt: na ZMN060G CMA Coach Projects\PTSN Coach 6\ Dźwięk\Fala na sprężynie.cma Przykład wyników: Fala na sprężynie.

Zjawisko interferencji fal

Przedmiot: Fizyka. Światło jako fala. 2016/17, sem. letni 1

Fale dźwiękowe. Jak człowiek ocenia natężenie bodźców słuchowych? dr inż. Romuald Kędzierski

Człowiek najlepsza inwestycja FENIKS

Rozdział 8. Analiza fourierowska. 8.1 Rozwinięcie w szereg Fouriera

Ruch drgajacy. Drgania harmoniczne. Drgania harmoniczne... Drgania harmoniczne... Notatki. Notatki. Notatki. Notatki. dr inż.

Wstęp teoretyczny. Więcej na: dział laboratoria

Fale dźwiękowe wstęp. Wytworzenie fali dźwiękowej w cienkim metalowym pręcie.

Podstawy fizyki sezon 2 5. Pole magnetyczne II

Testy Która kombinacja jednostek odpowiada paskalowi? N/m, N/m s 2, kg/m s 2,N/s, kg m/s 2

Transkrypt:

Podstawy fizyki sezon 1 VIII. Ruch falowy Agnieszka Obłąkowska-Mucha WFIiS, Katedra Oddziaływań i Detekcji Cząstek, D11, pok. 111 amucha@agh.edu.pl http://home.agh.edu.pl/~amucha

Gdzie szukać fal? W potocznym języku fale utożsamiamy ze zmianą kształu ośrodka, która przemieszcza się w przestrzeni (np. fale na wodzie, fala wytworzona na sznurze). Znamy również: fale radiowe, fale świetlne, fale dźwiękowe, fale na stadionie, Każda z tych fal ma cechę wspólną najpierw wytwarzane jest zaburzenie, a potem to zaburzenie się rozprzestrzenia (nawet na nieskończone odległości) Najbardziej ogólnie fale podzielić można na: 2 mechaniczne - rozchodzące się zaburzenie w ośrodku wykazującym cechy sprężystości (np. powietrze, woda, metal) elektromagnetyczne- rozchodzące się w próżni zaburzenie pól elektrycznego i magnetycznego fale materii

Fale mechaniczne Jeżeli pewien obszar ośrodka sprężystego pobudzimy do drgań, to takie drganie zostanie przekazane innym cząstkom tego ośrodka i wtedy ruch drgający zaczyna rozprzestrzeniać się w postaci fali. fala podłużna fala poprzeczna http://www.if.pw.edu.pl/~bibliot/archiwum/adamczyk/wykladyfo/fowww_16.html http://www.ftj.agh.edu.pl/~kakol/efizyka/ 3

Z.Kąkol Fale sposób wytworzenia Impuls falowy jednorazowe zaburzenie, np. kamyk do wody Fala harmoniczna - źródło wykonuje drgania harmoniczne wychylenie sznura Czoło fali (powierzchnie falowe) punkty, do których w tym samym momencie dotarła fala Fala płaska równoległe płaszcznyzny Fala kulista wycinki sfer promienie fal 4

Równanie falowe zależność czasowa Do opisu zaburzenia rozchodzącego się w przestrzeni potrzeba funkcji zmiennych przestrzennych i czasu: u(x, y, x; t). Pamiętamy, że drgania punktu są opisywane przez równanie różniczkowe: d 2 x dt 2 + ω2 x = 0 Drgania mogą odbywać się również w dowolnym kierunku np. u, a ω = 2π T : d 2 u dt 2 + 2π T 2 u = 0 Rozwiązaniem tego równania jest funkcja: u t = A sin 2π T t Jest to zależność powstałego drgania od czasu. Potrzeba jeszcze zależności opisującej propagację tego drgania w przestrzeni. 5

Równanie falowe Jeżeli teraz wyobrazimy sobie stałe w czasie zaburzenie np. pofałdowaną powierzchnię (jak blacha na dachu), to jej kształt również opisuje funkcja typu sinus, ale tym razem jest to fukcja niezależna od czasu, tylko w zmiennych przestrzennych: u x d 2 u dx 2 + = A sin 2π λ x Funkcja ta jest rozwiązaniem, analogicznego do poprzedniego, równania: 2π λ 2 u = 0 Jeżli połączymy obydwa równania: u = d 2 u dx 2 T λ 2 d 2 u gdy: = 0 dt2 to: T 2π T λ = T vt = 1 v d 2 u dx 1 d 2 u = 0 2 v 2 dt2 równanie 2 d 2 u dt 2 u(x) falowe 6

Równanie falowe - interpretacja Rozwiązanie równania falowego w postaci: u x, t = A sin(kx ωt), 2π λ = k (k- wektor falowy) oznacza falę biegnącą w prawo (dodatni kierunek x ): Rozwiązanie równania falowego w postaci: u x, t = A sin(kx + ωt), oznacza falę biegnącą w lewo (ujemne x ): Równanie dla fali rozchodzącej się w przestrzeni: 2 x y 2 + 2 z 2 2 + 2 u 1 2 u = 0 v 2 t2 - można zapisać używając operatora d Alamberta: sprawdzić! pochodna cząstkowa 2 + 2 + 2 1 2 x 2 y 2 z 2 v 2 t 2 u x, y, z, t = 0 7

Fale sprężyste (mechaniczne) Fale sprężyste rozchodzą się w ośrodku wykazującym sprężystość objętości lub sprężystość postaci (gazy, ciecze i ciała stałe). u x, t = A sin(kx ωt) Z każdą falą sprężystą stowarzyszone są trzy rodzaje prędkości. v(t) Prędkość ruchu cząstek - jest to prędkość chwilowa (np. drgań harmonicznych) ruchu cząsteczek (punktów) ośrodka sprężystego wokół ustalonych położeń równowagi; v t = u(x,t) t = A cos(kx ωt) x Prędkość fazowa (falowa) jest to prędkość v z jaką przemieszcza się w ośrodku powierzchnia stałej fazy (np. garby lub doliny fali biegnącej w sznurku) v = dx dt faza fali: Φ = kx ωt, t 8

Prędkość fazowa i grupowa Faza fali: Φ = kx ωt ma pozostać stała, czyli dφ = 0. liczymy: dφ = k dt ω dt, dφ = 0, gdy: dx dt = ω k v prędkość fazowa Obliczona tak prędkość fazowa jest dodatnia stąd wiemy, że fala rozchodzi się w stronę dodatnich x. Zad: Obliczyć prędkość fazową dla fali propagującej się w przeciwnym kierunku: u x, t = A sin(kx + ωt) Prędkość grupowa jest to prędkość v gr pakietu (grupy, paczki) fal. Jest to prędkość z jaką przenoszona jest przez falę sprężystą energia v gr = dω dk prędkość fazowa prędkość grupowa http://pl.wikipedia.org/wiki/pr%c4%99dko%c5%9b%c4%87_grupowa 9

http://en.wikipedia.org/wiki/speed_of_sound Prędkość fal Praktycznie za prędkość fali uważa się prędkość fazową: v = ω k Prędkość rozchodzenia się fali zależy od właściwości sprężystych ciał, nie zależy od częstotliwości, ani amplitudy: v = czynnik sprężystości czynnik bezwładności np. fala w napiętym sznurze rozchodzi się z prędkością: v = F μ spręzystości, μ masa liniowa (masa/jedn. długości), fala poprzeczna w ciele stałym: v = G, G- moduł sztywności ρ, F- siła fala podłużna w ciele stałym: v = E ρ, E- moduł Younga 10

Energia przenoszona przez fale Szybkość wykonywania pracy MOC: P t P = F u t u x = FA2 kω cos 2 kx ωt Moc (szybkość przepływu energii): = F t v t = 4πA 2 f 2 cos 2 kx ωt oscyluje w czasie, jest proporcjonalna do kwadratu amplitudy i częstotliwości. 11

Interferencja fal Interferencja zjawisko nakładania się fal. W wyniku nałożenia się dwóch fal o tych samych częstościach i amplitudach, ale różniących się o fazę φ: u 1 x, t = A sin(kx ωt) u 2 x, t = A sin(kx ωt + φ) Nakładające się fale dodają się algebraicznie: u x, t = u 1 x, t + u 2 (x, t) zatem dostajemy falę, która jest postaci: u x, t = 2A cos φ 2 sin kx ωt + φ 2 amplituda fali wypadkowej por. nakładanie drgań! Wynik nakładania się fal (interferencji) zależy wyłącznie od różnicy faz φ. Dla φ = 0 fale są zgodne w fazie i wzmacniają się maksymalnie (A = 2A), dla φ = 180 fale są przeciwne w fazie i wygaszają się (A = 0). Nakładające się fale nie wpływają na siebie wzajemnie gdy równocześnie pojawi się kilka efektów, ich skutek jest sumą efektów poszczególnych skutków- ZASADA SUPERPOZYCJI 12

Fale stojące Interferencja dwu fal o równych częstotliwościach i amplitudach, ale rozchodzących się w przeciwnych kierunkach - np fala rozchodząca się w danym ośrodku (ciele) odbija się od granicy ośrodka (ciała) i nakłada się na falę padającą. Nakładamy fale o równaniach: Otrzymujemy falę wypadkową: u 1 x, t u 2 x, t u x, t = A sin(kx ωt) = A sin(kx + ωt) = u 1 + u 2 = 2A sin kx cos ωt policzyć!! amplituda fali wypadkowej Cząstki ośrodka drgają ruchem harmonicznym prostym, ale różne punkty ośrodka mają różną amplitudę drgań zależną od ich położenia x. Taką falę nazywamy falą stojącą. Amplituda fali wypadkowej (część równania niezależna od czasu) zmienia się okresowo z liczbą falową k. 13 k = 2π λ fala jako liczba zespolona II semestr

Fala stojąca gdy kx = π, 3 π, 5 π,, czyli x = λ, 3 λ, 5 λ, - maksymalna amplituda. 2 2 2 4 4 4 Wtedy w punktach x mamy strzałki fali. k = 2π λ gdy kx = π, 2π, 3π,, czyli x = λ, λ, 3 λ, - minimalna amplituda. Takie 2 2 punkty nazywamy węzłami fali. 14 strzałki http://www.ftj.agh.edu.pl/~kakol/efizyka/

Analiza fal złożonych W strunie o długości D zamocowanej z obu końców (poprzedni slajd) może powstać tylko fala o długości n 1 λ = D. 2 Ogólnie długość fal powstałych w strunie: λ n = 2D n Prędkość fali: v = λ = λ f, oraz v = F T μ częstotliwość fal stojących w strunie:, co prowadzi do zależności na f n = n 2D v = n 2D F μ Analiza Fouriera: Dowolne drganie okresowe o okresie T możemy przedstawić jako kombinację liniową (sumę) drgań harmonicznych o okresach danych wzorem T n = T/n, gdzie n jest liczbą naturalną. por. drgania! 15

Modulacja Fala stojaca fala o amplitudzie stałej w czasie, ale zależnej od położenia cżąstki w przestrzeni (interferencja w przestrzeni). Jeśli dodamy fale nieznacznie różniące się częstotliwościami i zbadamy jaką amplitudę dostaniemy w pewnej chwili czasu t zbadamy interferencję w czasie. Znane z poprzedniego wykładu wzory: u 1 (t) = A sin(ω + ω 2 )t u(t) u 2 t = A sin(ω ω )t 2 u w t = u 1 t + u 2 t = A sin(ω ω )t + sin(ω + ω )t 2 2 u w (t) sin ωt u w t = 2A cos ωt sin ωt amplituda fali wypadkowej 2A cos ωt dudnienia 16

http://en.wikipedia.org/wiki/speed_of_sound Fale akustyczne Fale akustyczne - podłużne fale sprężyste. Rozchodzą się w każdym materialnym ośrodku sprężystym. Prędkość zależy od własności sprężystych ośrodka. Podczas propagowania się w ośrodku wprawiają w ruch drgający cząsteczki ośrodka - powstają lokalne zmian gęstości i ciśnienia ośrodka wzdłuż kierunku ruchu fali. 1. Infradźwięki 0< f 20 Hz. 2. Fale dźwiękowe (dźwięk) 20 f 20 khz. 3. Ultradźwięki f > od 20 khz. Prędkość dźwieku: v = κrt μ, μ- masa molowa 17

Zjawisko Dopplera Częstość fali akustycznej zależy od prędkości względnych źródła i odbiornika tych fal. Z życia codziennego wiemy, że jeśli źródło i odbiornik zbliżają (oddalają) się do siebie, to częstość odbieranej fali jest większa (mniejsza) od częstości emitowanej przez źródło. 18 Efekt Dopplera (1842) 1. Obserwator porusza się, źródło spoczywa. Odbiornik zbliża się do źródła z prędkością v 0. Jeżeli fale o długości λ rozchodzą się z prędkością v to w czasie t dociera do nieruchomego obserwatora vt fal. Jeżeli obserwator porusza się w kierunku λ źródła (wychodzi falom na przeciw) to odbiera jeszcze dodatkowo v t 0 fal. W związku z tym częstotliwość f słyszana przez obserwatora f = n fal t = v t λ + v 0 t λ t = v + v 0 λ = v + v 0 v f = f v + v 0 v λ

Efekt Doplera cd Przybliżający się obserwator rejestruje wyższą częstotliwość niż częstotliwość źródła (oddalający zmienić znak + na - częstotliwość zmiejsza się). f = f v + v 0 v 2. Źródło porusza się z prędkością v z względem nieruchomego obserwatora: f = f v v v z http://www.ftj.agh.edu.pl/~kakol/efizyka/ 19

Podsumowanie Przykłady ruchu falowego Podział ze względu na a) rodzaj ośrodka b) kierunek rozchodzenia Równanie falowe rozwiązanie, parametry ruchu, predkość fazowa i grupowa Interferencja fal. Analiza Fouriera fal złożonych. Zjawisko Dopplera. 20

Wykłady: 13.01 20.01 27.01 28.01 29.01 kolokwium zaliczeniowe Ćwiczenia: 17.12, 19.12 14.01, 16.01