Под длиной волны принято понимать промежуток между двумя соседними точками волны, находящимися в одинаковых фазах колебания.
В большинстве случаев, эту величину обозначают буквой из греческого алфавита – лямбда λ.
Параметр длины волн будет напрямую зависеть от характеристик той среды, внутри которой волна распространяется – через газ, жидкую среду, твердое тело или вакуум.
В качестве яркого примера волнообразного явления можно привести звук, свет, волны на море, вызванные ветром. Наверняка каждому приходилось в обычной жизни не раз сталкиваться со множеством видов волн.
Синусоидальная волна
В любой линейной среде волновые картины можно описать вне зависимости от того, как распространяются синусоидальные компоненты. Длина волны в синусоидальном сигнале при постоянной скорости перемещения волны находится:
- v− показатель величины фазовой скорости волны.
В диспергирующих средах, сама фазовая скорость будет находиться в зависимости от частоты волн.
Как известно, электромагнитное излучение также имеет волновую природу. Более того, его скорость численно равна скорости распространения света.
В случае со звуковыми волнами, скорость их распространения в нормальных условиях составляет 343 метра в секунду.
Длина волны. Связь длины волны со скоростью её распространения и периодом (частотой)
Скорость волны зависит от строения вещества и взаимодействия между её молекулами (атомами). Поэтому в различных средах скорость одной и той же волны будет отличаться.
Помимо скорости, важной характеристикой волны является длина волны.
Длина волны — расстояние, на которое распространяется волна за время, равное периоду колебаний в ней.
Рассмотрим процесс передачи колебаний от точки к точке при распространении поперечной волны.
Используется модель, в которой частицы среды заменяют шариками. Для удобства их можно пронумеровать (рис. (1)).
Частицы среды связаны между собой межмолекулярными силами взаимодействия, поэтому волна передаётся от одной частицы к другой.
Рис. (1). Модель упругой среды для демонстрации колебаний
Отклоним первый шарик от положения равновесия. Силы притяжения передадут движение второму, третьему шарику. Каждый элемент вещества (молекула, атом) повторит движение первой частицы с запаздыванием, которые называют сдвигом фазы. Это запаздывание зависит от расстояния, на котором находится рассматриваемый шарик по отношению к первому шарику.
Предположим, что первый шарик достиг максимального смещения от положения равновесия (рис. (2)). В этот момент четвёртый шарик только начнет движение, следовательно, он отстаёт от первого на (1/4) колебания.
Как связаны длина волны, скорость и частота? | Физика ЕГЭ
Рис. (2). Изображение максимального смещения от положения равновесия первого шарика
В момент времени, когда смещение четвертого шарика будет наибольшим (рис. (3)), седьмой шарик будет отставать от него на (1/4) колебания. А если рассмотреть отставание седьмого шарика от первого, то оно составляет (1/2) колебания.
Рис. (3). Изображение максимального смещения от положения равновесия четвёртого шарика
Между седьмым и четвёртым шариком, а также седьмым и десятым (1/4) часть колебания (рис. (4)).
Рис. (4). Изображение максимального смещения от положения равновесия седьмого шарика
Первый и тринадцатый шарик совершают одно колебание, то есть двигаются в одной фазе (рис. (5)). Это значит, что между ними все шарики с первого по двенадцатый проходят полный колебательный процесс или составляют одну волну.
Примеры расчета длины волны для звуковых, электромагнитных и радиоволн
Задача №1
Скорость звука в воде 1450 м/с. На каком расстоянии находятся ближайшие точки, совершающие колебания в противоположных фазах, если частота колебаний равна 725 Гц?
Задача №2
Мимо неподвижного наблюдателя, стоящего на берегу озера, за 6 с. прошло 4 гребня волны. Расстояние между первым и третьим гребнями равно 12 м. Определить период колебания частиц волны, скорость распространения и длину волны.
Задача №3
Голосовые связки певца, поющего тенором (высоким мужским голосом), колеблются с частотой от 130 до 520 Гц. Определите максимальную и минимальную длину излучаемой звуковой волны в воздухе. Скорость звука в воздухе 330 м/с.
Связь со скоростью
Чтобы вывести формулу скорости через длину волны, нужно вспомнить формулу скорости из кинематики — это раздел физики, в котором изучается движение тел без учета внешнего воздействия).
Формула скорости
= S/t
Переходя к волнам, можно провести следующие аналогии:
- путь — длина волны
- время — период
А для скорости даже аналогия не нужна — скорость и в Африке скорость.
Формула скорости волны
= λ/T
λ — длина волны [м]
Задачка
Лодка совершает колебания на волнах. За 40 с она совершила 10 колебаний. Какова скорость распространения волны, если расстояние между соседними гребнями волны равно 1 м?
Решение:
Возьмем формулу скорости:
Резонанс
Если громко говорить в одном помещении с гитарой — можно услышать, как на ней начал играть призрак. На самом деле частота струны совпала с частотой голоса и возник резонанс.
На графике ниже можно увидеть, что на некоторой частоте резко увеличивается амплитуда. Эта частота называется частотой резонанса.
Частота — это величина, обратная периоду. Она показывает, за какое время происходит одно колебание.
Формула частоты
ν = N/t
N — количество колебаний [—]
В мире существует очень много историй про то, как солдаты шли в ногу по мосту, он впал в резонанс и все провалились. А вот еще одна история про гидрологов — как говорится, из первых уст
Команда гидрологов — специалистов по внутренним водам — работала на Алтае и изучала местную реку. Через реку был протянут веревочный мост, а по центру моста стояла лебедка, которая помогает поднять пробу воды из речки, не спускаясь до нее.
В один из дней экспедиции начался сильный, почти штормовой, ветер. Исследователи работали на мосту, а когда поняли, что находиться на веревочной конструкции в такой сильный ветер небезопасно, начали с него уходить. Как только последний человек из команды сделал шаг с моста на землю, мост вместе с лебедкой разнесло в щепки. Это произошло из-за того, что частота ветра совпала с собственной частотой раскачивающегося моста. Хорошо, что история закончилась именно так.
Скорость и длина волны
Каждая волна распространяется с какой-то скоростью. Под скоростью волны понимают скорость 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.
Помимо скорости, важной характеристикой волны является длина волны. 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; T — период колебаний в волне; λ (греческая буква «ламбда») — длина волны.
Выбрав направление распространения волны за направление оси x и обозначив через y координату колеблющихся в волне частиц, можно построить график волны. График синусоидальной волны (при фиксированном времени t) изображен на рисунке 45. Расстояние между соседними гребнями (или впадинами) на этом графике совпадает с длиной волны λ.
Формула (22.1) выражает связь длины волны с ее скоростью и периодом. Учитывая, что период колебаний в волне обратно пропорционален частоте, т. е. T = 1/ν, можно получить формулу, выражающую связь длины волны с ее скоростью и частотой:
Полученная формула показывает, что скорость волны равна произведению длины волны на частоту колебаний в ней.
Частота колебаний в волне совпадает с частотой колебаний источника (так как колебания частиц среды являются вынужденными) и не зависит 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.
1. Что понимают под скоростью волны? 2. Что такое длина волны? 3. Как длина волны связана со скоростью и периодом колебаний в волне? 4. Как длина волны связана со скоростью и частотой колебаний в волне? 5. Какие из следующих характеристик волны изменяются при переходе волны из одной среды в другую: а) частота; б) период; в) скорость; г) длина волны?
Экспериментальное задание. Налейте воду в ванну и посредством ритмичных касаний воды пальцем (или линейкой) создайте на ее поверхности волны. Используя разную частоту колебаний (например, касаясь воды один и два раза в секунду), обратите внимание на расстояние между соседними гребнями волн. При какой частоте колебаний длина волны больше?
Формула длины волны
Это простое уравнение описывает взаимосвязь между частотой и длиной волны:
Это просто! Используйте наш калькулятор длины волны, чтобы найти правильную длину волны.
Имейте в виду, что частота не меняется при переходе от одного носителя к другому. Вы можете использовать формулу длины волны с другой частотой и скоростью для решения сложных задач с несколькими средами.
Типичные скорости волн
Ниже приведены некоторые примеры значений скорости волны. Чтобы узнать длину волны красного света в воде, введите ее в наш калькулятор длин волн.
Лучшими длинами волн для фотосинтеза являются те, которые окрашены в синий цвет (375–460 нм) и красный (555–700 нм). Эти длины волн могут быть поглощены, потому что они содержат правильную энергию для возбуждения электронов в пигментах растений. Это первый этап фотосинтеза. Вот почему растения кажутся зелеными — они поглощают красный и синий свет!
Скорость и длина волны
Если бросить камень в воду, то в месте его падения частицы воды начинают колебаться, двигаясь вверх и вниз. Соседние частицы, связанные с ними силами сцепления, также приходят в колебание. Однако для передачи колебания соседним частицам требуется некоторое время. То есть, чем дальше отстоят частицы от места, где начались колебания, тем позже эти частицы будут вовлечены в колебательное движение. Таким образом, от места падения камня волна бежит во все стороны с определенной скоростью, которая называется скоростью распространения волны. Длиной волны называется расстояние, на которое распространяется волна за время, равное периоду колебаний в ней. Если считать скорость волны постоянной, 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:
Так как период колебаний в волне обратно пропорционален частоте,
то можно получить формулу, выражающую связь длины волны с ее скоростью и частотой:
Калькулятор ниже позволяет по двум известным параметрам формулы посчитать неизвестный.
