คลื่นรอบตัวเราทุกที่ ในขณะที่เราอยู่ในโลกแห่งการเคลื่อนไหวและเสียง ลักษณะของกระบวนการคลื่นคืออะไร สาระสำคัญของทฤษฎีกระบวนการของคลื่นคืออะไร ลองดูสิ่งนี้ด้วยตัวอย่างการทดลอง
แนวคิดของคลื่นในวิชาฟิสิกส์
แนวคิดทั่วไปสำหรับกระบวนการหลายอย่างคือการมีอยู่ของเสียง ตามคำจำกัดความ เสียงเป็นผลมาจากการสั่นไหวอย่างรวดเร็วซึ่งสร้างขึ้นโดยอากาศหรือสื่ออื่น ๆ ที่อวัยวะหูของเรารับรู้ เมื่อทราบคำจำกัดความนี้ เราสามารถดำเนินการพิจารณาแนวคิดของ "กระบวนการคลื่น" ได้ มีการทดลองจำนวนหนึ่งที่ให้คุณพิจารณาปรากฏการณ์นี้ด้วยสายตาได้
กระบวนการของคลื่นที่ศึกษาในวิชาฟิสิกส์สามารถสังเกตได้ในรูปของคลื่นวิทยุ คลื่นเสียง คลื่นบีบอัด เมื่อใช้สายเสียง พวกมันกระจายไปในอากาศ
หากต้องการกำหนดแนวคิดด้วยสายตา ให้โยนหินลงในแอ่งน้ำและกำหนดลักษณะการแพร่กระจายของเอฟเฟกต์ นี่คือตัวอย่างคลื่นความโน้มถ่วง มันเกิดขึ้นเนื่องจากการขึ้น ๆ ลง ๆ ของของเหลว
อะคูสติก
ทั้งส่วนที่เรียกว่า "อะคูสติก" มีไว้สำหรับการศึกษาคุณสมบัติของเสียงในวิชาฟิสิกส์ เรามาดูกันว่ามันมีลักษณะอย่างไร มาโฟกัสที่สิ่งต่าง ๆ และกระบวนการที่ทุกอย่างยังไม่ชัดเจน ปัญหาที่ยังรอการแก้ไข
Acoustics ก็เหมือนฟิสิกส์สาขาอื่นๆ ที่ยังมีปริศนาที่ยังไขไม่ได้อีกมาก พวกเขายังไม่ได้เปิด พิจารณากระบวนการของคลื่นในอะคูสติก
เสียง
แนวคิดนี้เกี่ยวข้องกับการมีอยู่ของการเคลื่อนที่แบบสั่นซึ่งเกิดจากอนุภาคของตัวกลาง เสียงเป็นชุดของกระบวนการสั่นที่เกี่ยวข้องกับลักษณะของคลื่น ในกระบวนการก่อตัวในตัวกลางของการบีบอัดและการแยกส่วน จะเกิดกระบวนการของคลื่น
ตัวบ่งชี้ความยาวคลื่นขึ้นอยู่กับธรรมชาติของตัวกลางที่เกิดกระบวนการแกว่ง ปรากฏการณ์เกือบทั้งหมดที่เกิดขึ้นในธรรมชาติมีความเกี่ยวข้องกับการสั่นของเสียงและคลื่นเสียงที่แพร่กระจายในสิ่งแวดล้อม
ตัวอย่างการพิจารณากระบวนการคลื่นในธรรมชาติ
การเคลื่อนไหวเหล่านี้สามารถบอกถึงปรากฏการณ์ของกระบวนการของคลื่นได้ คลื่นเสียงความถี่สูงสามารถเดินทางได้หลายพันกิโลเมตร เช่น เมื่อภูเขาไฟระเบิด
เมื่อเกิดแผ่นดินไหว จะเกิดการสั่นของอะคูสติกและ geoacoustic ที่รุนแรง ซึ่งสามารถลงทะเบียนได้ด้วยเครื่องรับเสียงพิเศษ
ระหว่างที่เกิดแผ่นดินไหวใต้น้ำ เกิดปรากฏการณ์ที่น่าสนใจและน่าสยดสยองขึ้น - สึนามิซึ่งเป็นคลื่นขนาดใหญ่ที่เกิดขึ้นระหว่างการปรากฏตัวขององค์ประกอบใต้ดินหรือใต้น้ำอันทรงพลัง
ต้องขอบคุณระบบเสียง คุณสามารถรับข้อมูลว่าคลื่นสึนามิกำลังใกล้เข้ามา ปรากฏการณ์เหล่านี้หลายอย่างเป็นที่ทราบกันมานานแล้ว แต่จนถึงตอนนี้ บางแนวคิดของฟิสิกส์ต้องมีการศึกษาอย่างรอบคอบ ดังนั้นสำหรับการศึกษาความลึกลับที่ยังไม่ได้รับการแก้ไขจึงเป็นคลื่นเสียงที่เข้ามาช่วยชีวิต
ทฤษฎีการแปรสัณฐาน
ในศตวรรษที่ 18 "สมมติฐานภัยพิบัติ" ถือกำเนิดขึ้น ในเวลานั้น แนวคิดของ "องค์ประกอบ" และ "ความสม่ำเสมอ" ไม่ได้เชื่อมโยงกัน จากนั้นพวกเขาก็ค้นพบว่าอายุของพื้นมหาสมุทรนั้นอ่อนกว่าพื้นดินมากและพื้นผิวนี้ได้รับการปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง
ณ เวลานี้ ต้องขอบคุณรูปลักษณ์ใหม่ของโลก ที่สมมติฐานที่บ้าคลั่งได้เติบโตขึ้นเป็นทฤษฎีของ "การแปรสัณฐานของแผ่นธรณีธรณีธรณีธรณี" ซึ่งระบุว่าเปลือกโลกเคลื่อนตัว และนภาลอยตัว กระบวนการดังกล่าวคล้ายกับการเคลื่อนที่ของน้ำแข็งนิรันดร์
เพื่อให้เข้าใจกระบวนการที่อธิบายไว้ จำเป็นต้องกำจัดแบบแผนและมุมมองที่เป็นนิสัย เพื่อให้เข้าใจถึงการมีอยู่ประเภทอื่นๆ
ความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์ต่อไป
ชีวิตทางธรณีวิทยาบนโลกมีเวลาและสถานะของสสารเป็นของตัวเอง วิทยาศาสตร์ได้ประสบความสำเร็จในการสร้างอุปมา ก้นมหาสมุทรเคลื่อนที่ตลอดเวลา ทำให้เกิดการแตกและก่อตัวเป็นสันเมื่อสสารใหม่ลอยขึ้นจากส่วนลึกของโลกสู่พื้นผิวและค่อยๆ เย็นลง
ในขณะนี้ กระบวนการเกิดขึ้นบนบกเมื่อแผ่นเปลือกโลกขนาดมหึมาลอยอยู่บนผิวเสื้อคลุมของโลก - เปลือกหินส่วนบนของโลกซึ่งประกอบไปด้วยทวีปและก้นทะเล
จำนวนจานประมาณสิบ เสื้อคลุมไม่สงบดังนั้นแผ่นธรณีภาคจึงเริ่มเคลื่อนที่ ภายใต้เงื่อนไขของห้องปฏิบัติการ กระบวนการนี้มีลักษณะของประสบการณ์ที่สง่างาม
ในธรรมชาติมันคุกคามภัยพิบัติทางธรณีวิทยา- แผ่นดินไหว. สาเหตุของการเคลื่อนที่ของแผ่นธรณีภาคคือกระบวนการพาความร้อนทั่วโลกที่เกิดขึ้นในส่วนลึกของโลก ผลที่ออกมาจะเป็นคลื่นสึนามิ
ญี่ปุ่น
ในพื้นที่อันตรายจากแผ่นดินไหวอื่น ๆ ของโลก ญี่ปุ่นครอบครองสถานที่พิเศษ หมู่เกาะนี้ถูกเรียกว่า "เข็มขัดไฟ"
ตามลมหายใจของนภาโลกอย่างใกล้ชิด เราสามารถทำนายภัยพิบัติที่จะเกิดขึ้นได้ เพื่อศึกษากระบวนการแกว่ง ได้แนะนำแท่นขุดเจาะลึกพิเศษเข้าไปในความหนาของโลก มันเจาะลึกถึง 12 กม. และอนุญาตให้นักวิทยาศาสตร์สรุปเกี่ยวกับการมีอยู่ของหินบางชนิดในโลกได้
ความเร็วของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีการศึกษาในบทเรียนฟิสิกส์ในชั้นประถมศึกษาปีที่ 9 แสดงประสบการณ์ด้วยตุ้มน้ำหนักที่ระยะห่างจากกันเท่ากัน พวกเขาเชื่อมต่อกันด้วยสปริงที่เหมือนกันในรูปแบบปกติ
หากคุณเลื่อนน้ำหนักอันแรกไปทางขวาในระยะที่กำหนด น้ำหนักอันที่สองยังคงอยู่ในตำแหน่งเดิมชั่วขณะหนึ่ง แต่สปริงเริ่มบีบอัดแล้ว
ความหมายของคำว่า "คลื่น"
เนื่องจากกระบวนการดังกล่าวได้เกิดขึ้น แรงยืดหยุ่นได้เกิดขึ้นซึ่งจะดันตุ้มน้ำหนักตัวที่สอง เขาจะได้รับอัตราเร่ง หลังจากนั้นครู่หนึ่งเขาจะเร่งความเร็ว เคลื่อนที่ไปในทิศทางนี้และกดสปริงระหว่างตุ้มน้ำหนักที่สองและสาม ในทางกลับกันที่สามจะได้รับอัตราเร่งเริ่มเร่งเปลี่ยนและส่งผลกระทบต่อสปริงที่สี่ ดังนั้นกระบวนการจะเกิดขึ้นกับองค์ประกอบทั้งหมดของระบบ
ในกรณีนี้การกระจัดของโหลดที่สองตามเวลาจะเกิดขึ้นช้ากว่าครั้งแรก ผลมักจะล้าหลังสาเหตุ
นอกจากนี้ การกระจัดของโหลดที่สองจะทำให้เกิดการกระจัดของโหลดที่สาม กระบวนการนี้มีแนวโน้มที่จะแพร่กระจายไปทางขวา
หากน้ำหนักแรกเริ่มผันผวนตามกฎฮาร์โมนิก กระบวนการนี้จะกระจายไปยังน้ำหนักที่สอง แต่จะมีปฏิกิริยาล่าช้า ดังนั้น หากคุณทำให้ตุ้มน้ำหนักตัวแรกสั่น คุณจะได้รับการสั่นที่จะกระจายไปในอวกาศเมื่อเวลาผ่านไป นี่คือนิยามของคลื่น
คลื่นหลากหลาย
ลองนึกภาพว่าสารที่ประกอบด้วยอะตอมคือ:
- มีมวล - เช่นเดียวกับน้ำหนักที่เสนอในการทดลอง
- เชื่อมต่อกัน ก่อตัวเป็นวัตถุแข็งด้วยพันธะเคมี (ตามที่กล่าวไว้ในการทดลองด้วยสปริง)
ตามมาคือระบบที่คล้ายกับโมเดลจากประสบการณ์ มันสามารถแพร่กระจายคลื่นกล กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการเกิดขึ้นของแรงยืดหยุ่น คลื่นดังกล่าวมักถูกเรียกว่า "เด้ง"
คลื่นยืดหยุ่นมีสองประเภท ในการพิจารณาคุณสามารถใช้สปริงยาวแก้ไขด้านหนึ่งแล้วยืดไปทางขวา จะเห็นได้ว่าทิศทางการแพร่กระจายของคลื่นอยู่ตามสปริง อนุภาคของตัวกลางเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวกัน
ในคลื่นดังกล่าว ธรรมชาติของทิศทางการสั่นของอนุภาคจะสอดคล้องกับทิศทางการแพร่กระจายของคลื่น แนวคิดนี้เรียกว่า "คลื่นตามยาว"
ถ้าคุณยืดสปริงและให้เวลามาถึงเข้าสู่สภาวะพักแล้วเปลี่ยนตำแหน่งอย่างรวดเร็วในแนวตั้งจะเห็นว่าคลื่นกระจายไปตามสปริงและสะท้อนหลายครั้ง
แต่ทิศทางการสั่นของอนุภาคอยู่ในแนวตั้งแล้ว และการแพร่กระจายของคลื่นอยู่ในแนวนอน นี่คือคลื่นตามขวาง มีได้เฉพาะในของแข็งเท่านั้น
ความเร็วของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดต่างๆ ต่างกัน คุณสมบัตินี้ถูกใช้โดยนักแผ่นดินไหววิทยาเพื่อกำหนดระยะห่างจากแหล่งกำเนิดแผ่นดินไหว
เมื่อคลื่นแพร่กระจาย อนุภาคจะสั่นตามหรือข้าม แต่สิ่งนี้ไม่ได้มาพร้อมกับการถ่ายโอนของสสาร แต่มีเพียงการเคลื่อนไหวเท่านั้น จึงระบุไว้ในตำรา "ฟิสิกส์" ป. 9
ลักษณะสมการคลื่น
สมการคลื่นในวิทยาศาสตร์กายภาพเป็นสมการอนุพันธ์แบบไฮเปอร์โบลิกเชิงเส้นชนิดหนึ่ง นอกจากนี้ยังใช้สำหรับพื้นที่อื่น ๆ ที่ครอบคลุมโดยฟิสิกส์เชิงทฤษฎี นี่เป็นหนึ่งในสมการที่ฟิสิกส์คณิตศาสตร์ใช้ในการคำนวณ โดยเฉพาะอย่างยิ่งมีการอธิบายคลื่นความโน้มถ่วง ใช้เพื่ออธิบายกระบวนการ:
- ในอะคูสติกตามกฎแล้วประเภทเชิงเส้น
- ในอิเล็กโทรไดนามิก
กระบวนการของคลื่นจะแสดงในการคำนวณสำหรับกรณีหลายมิติของสมการคลื่นที่เป็นเนื้อเดียวกัน
ความแตกต่างระหว่างคลื่นกับการแกว่ง
การค้นพบที่น่าทึ่งเกิดจากการคิดถึงปรากฏการณ์ธรรมดาๆ กาลิเลโอใช้การเต้นของหัวใจเป็นมาตรฐานของเวลา ดังนั้น ความคงตัวของกระบวนการแกว่งของลูกตุ้มจึงถูกค้นพบ ซึ่งเป็นหนึ่งในบทบัญญัติหลักของกลศาสตร์ มันอย่างแน่นอนสำหรับลูกตุ้มคณิตศาสตร์เท่านั้น - ระบบออสซิลเลเตอร์ในอุดมคติซึ่งมีลักษณะดังนี้:
- ยอดดุล;
- แรงที่ทำให้ร่างกายกลับสู่ตำแหน่งสมดุลเมื่อมันเบี่ยงเบน;
- การเปลี่ยนแปลงของพลังงานเมื่อมีความผันผวน
เพื่อให้ระบบไม่สมดุล จำเป็นต้องมีเงื่อนไขการเกิดความผันผวน ในกรณีนี้จะมีการรายงานพลังงานบางอย่าง ระบบสั่นสะเทือนที่แตกต่างกันต้องการพลังงานประเภทต่างๆ
การสั่นเป็นกระบวนการที่มีการเคลื่อนไหวซ้ำๆ หรือสถานะของระบบในช่วงเวลาหนึ่งๆ ตัวอย่างที่ชัดเจนของกระบวนการแกว่งคือตัวอย่างของลูกตุ้มแกว่ง
การสั่นและการสั่นของคลื่นนั้นพบเห็นได้ในปรากฏการณ์ทางธรรมชาติเกือบทั้งหมดWave มีหน้าที่ในการก่อกวนหรือเปลี่ยนสถานะของตัวกลาง แพร่กระจายไปในอวกาศและขนส่งพลังงานโดยไม่จำเป็นต้องถ่ายเทสสาร เป็นคุณสมบัติเด่นของกระบวนการคลื่นซึ่งศึกษาทางฟิสิกส์มาช้านาน เมื่อค้นคว้า คุณสามารถเน้นความยาวคลื่น
คลื่นเสียงสามารถเกิดขึ้นได้ในทุกทรงกลม ไม่ได้มีอยู่แค่ในสุญญากาศเท่านั้น คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีคุณสมบัติพิเศษ สามารถมีอยู่ได้ทุกที่ แม้แต่ในสุญญากาศ
พลังงานของคลื่นขึ้นอยู่กับแอมพลิจูดของคลื่น คลื่นทรงกลมที่แพร่กระจายจากแหล่งกำเนิดกระจายพลังงานในอวกาศ แอมพลิจูดของคลื่นจึงลดลงอย่างรวดเร็ว
คลื่นเชิงเส้นมีคุณสมบัติที่น่าสนใจ พลังงานของมันไม่กระจายไปในอวกาศดังนั้นแอมพลิจูดของคลื่นดังกล่าวจะลดลงเนื่องจากแรงเสียดทานเท่านั้น
ทิศทางการแพร่กระจายของคลื่นแสดงโดยรังสี - เส้นที่ตั้งฉากกับหน้าคลื่น
มุมระหว่างรังสีตกกระทบกับเส้นตั้งฉากคือมุมตกกระทบ ระหว่างลำแสงปกติกับลำแสงสะท้อนคือมุมของการสะท้อน ความเสมอภาคของมุมเหล่านี้ยังคงอยู่ในตำแหน่งใดๆ ของสิ่งกีดขวางที่สัมพันธ์กับหน้าคลื่น
เมื่อคลื่นเคลื่อนตัวมาตรงข้ามกัน คลื่นนิ่งก็สามารถก่อตัวได้
ผลลัพธ์
อนุภาคของตัวกลางระหว่างโหนดที่อยู่ติดกันของคลื่นนิ่งสั่นในเฟสเดียวกัน เหล่านี้เป็นพารามิเตอร์ของกระบวนการคลื่นที่แก้ไขในสมการคลื่น เมื่อคลื่นมาบรรจบกัน แอมพลิจูดทั้งสองจะเพิ่มขึ้นและลดลง
เมื่อทราบลักษณะสำคัญของกระบวนการคลื่นแล้ว ก็สามารถกำหนดแอมพลิจูดของคลื่นที่เกิดขึ้น ณ จุดที่กำหนดได้ ให้เราพิจารณาว่าคลื่นจากแหล่งที่หนึ่งและที่สองจะมาถึงจุดนี้ในระยะใด ยิ่งกว่านั้นเฟสจะตรงกันข้าม
หากความแตกต่างของเส้นทางเป็นจำนวนครึ่งคลื่นคี่ แอมพลิจูดของคลื่นที่ได้ ณ จุดนี้จะน้อยที่สุด หากความต่างของเส้นทางเท่ากับศูนย์หรือความยาวคลื่นเป็นจำนวนเต็ม แอมพลิจูดของคลื่นผลลัพธ์จะเพิ่มขึ้นที่จุดนัดพบ นี่คือรูปแบบการรบกวนเมื่อมีการเพิ่มคลื่นจากสองแหล่ง
ความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้รับการแก้ไขในเทคโนโลยีสมัยใหม่ อุปกรณ์รับต้องลงทะเบียนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่อ่อนแอ หากคุณใส่รีเฟล็กเตอร์ พลังงานคลื่นจะเข้าสู่เครื่องรับมากขึ้น ติดตั้งระบบสะท้อนแสงเพื่อสร้างค่าสูงสุดที่เครื่องรับสัญญาณ
ลักษณะของกระบวนการคลื่นรองรับแนวคิดสมัยใหม่เกี่ยวกับธรรมชาติของแสงและโครงสร้างของสสาร ดังนั้นเมื่อเรียนในตำราฟิสิกส์ชั้นประถมศึกษาปีที่ 9 คุณสามารถเรียนรู้วิธีแก้ปัญหาจากสาขากลศาสตร์ได้สำเร็จ