Реферат Механические волны. Эффект Доплера
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-28Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
Федеральное агентство железнодорожного транспорта
Иркутский государственный университет путей сообщения
Кафедра: Физика
Дисциплина: Физика
Реферат
на тему:
«Механические волны. Эффект Доплера»
Выполнил:
Студент заочного
отделения
специальности АТС
И-07-АТС-079ц
Иванова Ирина
Сергеевна
Проверил:
Преподаватель
Дятлова Н.И.
Иркутск
2009
Содержание
1. Механические волны…………………………………………………….3
2. Звуковые волны. Их характеристики…………………………………...5
2.1 Скорость звука………………………………………………………….5
2.2 Распространение ……………………………………………………….6
2.3 Интенсивность звука…………………………………………………...6
2.4 Объективные характеристики звука…………………………………..7
2.5 Субъективные характеристики звука…………………………………8
3. Эффект Доплера………………………………………………………….9
Список использованной литературы……………………………………..11
1. Механические волны
Волны – возмущения (изменения состояния вещества или поля), распространяющиеся в пространстве с конечной скоростью.
Распространение волн связано с переносом энергии без переноса вещества. Наиболее важные и часто встречающиеся виды волн: упругие (механические) волны (в том числе звук, ультразвук), волны на поверхности жидкости, электромагнитные волны (в том числе радиоволны, свет, рентгеновское излучение и т.д.).
При распространении волн возможны явления отражения, преломления, дисперсии, дифракции, интерференции, поглощения и рассеяния. По ориентации возмущения относительно направления распространения волны делятся на продольные и поперечные.
Поперечная волна – волна, в которой возмущения (изменения состояния вещества или поля) ориентированы перпендикулярно направлению ее распространения. Продольная волна – волна, в которой возмущения (изменения состояния вещества) ориентированы вдоль направления ее распространения.
Луч – направление, в котором волной переносится энергия. Луч перпендикулярен фронту волны.
Представление о распространении волн как о распространении лучей используется, например, в геометрической оптике.
Фронт волны – поверхность, которая отделяет точки среды, до которых дошло возмущение, от тех точек, до которых возмущение не дошло.
Распространение волны происходит в направлении нормали к волновому фронту и может рассматриваться как движение волнового фронта.
В однородной изотопной среде фронт волны от плоского источника колебаний представляет собой плоскость, а фронт волны от точечного источника – сферу.
Волновая поверхность – геометрическое место точек, в которых фаза колебаний имеет одинаковое значение.
Через каждую точку среды, охваченной волновым движением. Можно провести одну волновую поверхность, соответствующую значению фазы колебаний в этой точке в данный момент времени.
В однородной изотопной среде излучение точечного источника имеет сферические волновые поверхности.
Длина волны λ – величина, равная расстоянию между точками, фазы колебаний в которых отличаются на 2π, или расстояние, на которое распространяется волна за время, равное периоду колебания точки среды.
Длина волны связана с периодом колебаний T и скоростью v распространения волны:
λ=vT
Упругие волны – механические возмущения, распространяющиеся в упругих средах.
При прохождении упругих волн в среде возникают механические деформации сжатия (при распространении продольных волн), которые переносятся волной из одной точки среды в другую. При этом имеет место перенос энергии, а переноса вещества не происходит.
В твердых телах могут распространяться и продольные и поперечные упругие волны, а в жидкостях и газах – только продольные. Примерами упругих волн являются волны в жидкостях, звуковые волны, ультразвук, волны, возникающие в земной коре при землетрясениях.
2. Звуковые волны. Их характеристики
К звуковым волнам принадлежат волны, частоты которых лежат в пределах восприятия органами слуха. Человек воспринимает звуки тогда, когда на его органы слуха действуют волны с частотами от 16 до 20 000 Гц. Упругие волны, частота которых меньше 16 Гц, называют инфразвуковыми, а волны, частота которых лежит в интервале от 2 Ч 104 до 1 Ч 109 Гц – ультразвуковыми.
К основным характеристикам звуковых волн относят скорость звука, его интенсивность – это объективные характеристики звуковых волн, высоту тона, громкость относят к субъективным характеристикам. Субъективные характеристики зависят в большой мере от восприятия звука конкретным человеком, а не от физических характеристик звука.
2.1 Скорость звука
Измерение скорости звука в твердых телах, жидкостях и газах указывают на то, что скорость не зависит от частоты колебаний или длины звуковой волны, т.е. для звуковых волн не характерна дисперсия.
Скорость звука будет равна:
Данная формула носит название формулы Ньютона. Рассчитанная с ее помощью скорость звука в воздухе составляет при 273К 280 м/с. Реальная же экспериментальная скорость составляет 330 м/с. Этот результат значительно отличается от теоретического и причину этого установил Лаплас. Он показал, что распространение звука в воздухе происходит адиабатно. Звуковые волны в газах распространяются так быстро, что, что созданные локальные изменения объема и давления в газовой среде происходят без теплообмена с окружающей средой. Лаплас вывел уравнение для нахождения скорости звука в газах:
2.2 Распространение
В процессе распространения звуковых волн в среде происходит их затухание. Амплитуда колебаний частиц среды постепенно уменьшается при возрастании расстояния от источника звука. Одной из основных причин затухания волн есть действие сил внутреннего трения на частицы среды. На преодоление этих сил непрерывно используется механическая энергия колебательного движения, что переносится волной. Эта энергия превращается в энергию хаотического теплового движения молекул и атомов среды. Поскольку энергия волны пропорциональна квадрату амплитуды колебаний, то прираспространении волн от источника звука вместе с уменьшением запаса энергии колебательного движения уменьшается и амплитуда колебаний.
На распространение звуков в атмосфере влияет много факторов: температура на разных высотам, потоки воздуха. Эхо – это отраженный от поверхности звук. Звуковые волны могут отражаться от твердых поверхностей, от слоев воздуха в которых температура отличается от температуры соседних слоев.
2.3 Интенсивность звука
Для сравнения интенсивности L звука или звукового давления используют уровень интенсивности. Уровнем интенсивности называют умноженный на 10 логарифм отношений двух интенсивностей звука. Величина L измеряется в децибелах.
2.4 Объективные характеристики звука
Любое тело, которое находится в упругой среде и колеблеться со звуковой частотой, является источником звука. Источника звука можно поделить на две группы: источники, которые работают на собственной частоте, и источники, которые работают на вынужденных частотах. К первой группе принадлежат источники, звуки в которых создаются колебаниями струн, камертонов, воздушных столбов в трубах. Ко второй группе источников звука принадлежат телефоны. Способность тел излучать звук зависит от размера их поверхности. Чем большая площадь поверхности тела, тем лучше оно излучает звук. Так, натянутая между двумя точками струна или камертон создают звук довольно малой интенсивности. Для усиления интенсивности звука струн и камертонов их объединяют с резонаторными ящиками, которым присущий ряд резонансных частот. Звучание струнных и духовых музыкальных инструментов основано на образовании стоящих волн в струнах и воздушных столбах.
Интенсивность звука, который создается источником, зависит не только от его характеристик, а и от помещения, в котором находится этот источник. После прекращения действия источника звука рассеянный звук не исчезает внезапно. Это объясняется отбиванием звуковых волн от стен помещения. Время, на протяжении которого после прекращения действия источника звук полностью исчезает, называют временами реверберации. Условно считают, что время реверберации равняется промежутку времени, на протяжении которого интенсивность звука уменьшится в миллион раз.
Время реверберации – это важная характеристика акустических свойств концертных залов, кинозалов, аудиторий и др. При большом времени реверберации музыка звучат довольно громко, но невыразительно. При малом времени реверберации музыка звучат слабо и глухо. Поэтому в каждом конкретном случае добиваются наиболее оптимальных акустических характеристик помещений.
2.5 Субъективные характеристики звука.
Человек ощущает звуки, которые лежат в диапазоне частот от 16 Гц до 20 кГц. Чувствительность органов слуха человека до разных частот неодинаковая. Для того, чтобы человек реагировал на звук, необходимо, чтобы его интенсивность была не меньше минимальной величины, которая носит название порога слышимости. Порог слышимости для разных частот неодинаковый. Людское ухо имеет наибольшую чувствительность к колебаниям частотой от 1 до 3 кГц. Порог слышимости для этих частот составляет около
Звук как физическое явление характеризируют частотой, интенсивностью или звуковым давлением, набором частот. Это объективные характеристики звука. Органы слуха человека воспринимают звукза громкостью, высотой тона, тембром. Эти характеристики имеют субъективный характер.
Диаграмма на которой представлены области частот и интенсивности, воспринимаемые человеческим ухом, называют диаграммой слуха.
Физическому понятию интенсивности звука отвечает громкость звука. Субъективную громкость звука нельзя точно количественно измерить.
Высота звука определяется его частотой, чем больше частота, тем большим будет высота звука. Органы слуха человека довольно точно ощущают изменение частоты. В области частот 2 кГц может воспринимать два тона, частота которых отличается на 3 – 6 Гц.
Тембр звука определяется его спектральных составом. Тембр – это оттенок сложного звука, которым отличаются два звука одинаковой силы и высоты.
3. Эффект Доплера для звука
Скорость распространения звуковых волн в среде не зависит от движения источника и приемника звука. Опыт показывает, что когда источник и приемник звука, неподвижны относительно среды, в которой распространяются звуковые волны, то частота звука, которую генерирует источник, равняется частоте, которую регистрирует приемник. Совсем другая картина, когда источник звука и приемник находятся в движении относительно среды в которой распространяется звук. При этом частота звука, которую регистрирует приемник, отличается от частоты звука, которую генерирует источник. Изменение частоты звука, который воспринимается при относительном движении источника и приемника звука, называется эффектом или явлением Доплера. Примером эффекта Доплера будет изменение частоты гудка тепловоза во время движения и в состоянии покоя.
Рассмотрим сначала случай, когда источник звука неподвижен относительно среды, в которой распространяются звуковые волны. Если частота колебаний звука х0 и скорость его распространения в среде V, то длина звуковой волны :
При движении приемника со скоростью
Отсюда вытекает, что приемник, который двигается к источнику звука, регистрирует большую частоту, чем частота колебаний источника звука. Если приемник звука отдаляется от покоящегося источника звука со скоростью
Если источник и приемник звука будут двигаться одновременно, то длинна волны и скорость их распространения относительно приемника звука будут меняться. При этом частота, которую регистрирует приемник, будет:
Знак плюс в числителе выражения отвечает случаю, когда приемник приближается к источнику звука, знак минус – когда отдаляется. В знаменателе знаки стоят наоборот, т.е. знак минус указывает на приближение источника к приемнику звука, а знак плюс – на отдаление его от источника звука.
Если приемник или источник звука двигаются не вдоль прямой, которая соединяет их, то эффект Доплера определяется проекциями скоростей движения на направление этой прямой. Заметим, что все скорости, которые входят в формулу, определяются относительно той среды, в которой распространяется звук. Эффект Доплера наблюдается и для электромагнитных волн.
Список использованной литературы
1. Дущенко В. П., Кучерук И. М. Общая физика. – К.: Высшая школа, 1995. – 430 с.
2. Зисман Г. А., Тодес О. М. Курс общей физики. В 3 т. – М.: Наука, 1995. – 343 с.
3. Костко О.К., Мансуров Н.А. Справочник школьника по физике. 7-11 классы. – К.: ГИППВ, 1997. – 256с.
