Fale mechaniczne i ich właściwości. Strona 1

Fale mechaniczne ich właściwości

Ruch falowy - rozchodzenie się w przestrzeni zaburzenia stanu ośrodka materialnego. W przy-

padku fal mechanicznych polega to na przekazywaniu energii ruchu drgającego między sąsiednimi cząsteczkami ośrodka. W przypadku fal elektromagnetycznych polega to na przenoszeniu się w ośrodku materialnym lub w próżni, zmian pól elektrycznych i magnetycznych (zgodnie z pierwszym i drugim prawem Maxwella). Fale mechaniczne(np. fale dźwiękowe) mogą się rozchodzić wszędzie poza próżnią, natomiast fale elektromagnetyczne (np. światło, fale radiowe) mogą się rozchodzić również w próżni.

Podstawowe pojęcia ruchu falowego:

pole falowe – część przestrzeni objęta w danej chwili zaburzeniem (falą),

powierzchnia falowa – powierzchnia, na której we wszystkich punktach zaburzenia mają taką samą fazę drgań,

czoło fali – powierzchnia falowa rozgraniczająca obszar gdzie fala się rozchodzi od obsza-ru, gdzie fala jeszcze nie dotarła,

promień fali – określa kierunek rozchodzenia się energii niesionej przez falę

Klasyfikacja fal:

A. ze względu na kształt powierzchni falowej: płaska, cylindryczna, kulista.

B. ze względu na kierunek drgań cząstek ośrodka względem kierunku rozchodzenia się fali:

poprzeczna: drgania odbywają się w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku rozchodzenia

się fali,

podłużna: drgania cząstek ośrodka i rozchodzenia się fali zachodzą wzdłuż tego samego

kierunku.

C. ze względu na ich naturę: mechaniczne, elektromagnetyczne. Parametry określające fale:

długość fali ( λ [ m ] ) – najmniejsza odległość (mierzona wzdłuż promienia fali) między

dwoma sąsiednimi punktami fali o takiej samej fazie drgań

okres fali ( T [ s ] ) – czas w jakim cząstka drgająca wykona jedno pełne drganie (czas w

ciągu którego fala przebędzie odległość równą jej długości), częstotliwość fali ( f [ Hz ] ) – odwrotność okresu fali ( f = 1/T ), prędkość fali ( v [ m/s ] ) – prędkość z jaką fala rozchodzi się w ośrodku, jej wartość zale-

ży od właściwości ośrodka w którym się rozchodzi, nie zależy natomiast od amplitudy fali i jej częstotliwości.

Pomiędzy prędkością rozchodzenia się fali v, jej długością λ i częstotliwością f istnieje związek:

T

fv

Zjawiska typowe dla każdego ruchu falowego:

odbicie,

załamanie,

interferencja,

dyfrakcja,

polaryzacja

Fale mechaniczne i ich właściwości. Strona 2

Na podstawie przeprowadzonych badań związanych z polem elektrycznym i magnetycznym, James Clerk Maxwell opracował teorię pola elektromagnetycznego oraz przewidział istnienie fal elek-tromagnetycznych (doświadczalnie istnienie fal elektromagnetycznych potwierdził Heinrich Rudolf Hertz ). Według teorii Maxwella każdej zmianie pola elektrycznego towarzyszy powstanie zmiennego, wirowego pola magnetycznego i na odwrót, tzn. każdej zmianie pola magnetycznego towarzyszy powstanie zmiennego, wirowego pola elektrycznego. Te wzajemne zmiany pól elektrycznych i magnetycznych rozchodzą się w ośrodku w postaci tzw. fal elektromagnetycznych. Fale te są falami

poprzecznymi, tzn. w każdym punkcie pola wektor natężenia pola elektrycznego i wektor indukcji

magnetycznej są do siebie prostopadłe.

Uwaga:

W przypadku wszystkich fal mechanicznych:

mogą się rozchodzić tylko w ośrodku sprężystym (wszędzie poza próżnią),

przenoszą pewną energię,

fale te rozchodzą się ze skończoną prędkością, której wartość zależy od właściwości ośrodka, w którym się rozchodzą, natomiast nie zależy od ich długości i częstotliwości,

rozchodzenie się fali polega na przekazywaniu energii pomiędzy sąsiednimi cząsteczkami ośrodka, nato-miast przemieszczanie się fali nie polega na przemieszczaniu się cząsteczek ośrodka.

Fale elektromagnetyczne wykazują wszyst-kie zjawiska charakterystyczne dla ruchu falo-wego jak: odbicie, załamanie, ugięcie, interfe-rencja, pochłanianie, polaryzacja. Źródłem fal elektromagnetycznych tzw. długich, średnich,

krótkich (do ok. ) są elektryczne

obwody drgające, tzw. anteny.