Fale to zakłócenia, które rozchodzą się w przestrzeni bez przenoszenia materii, tylko energii.
Element wywołujący falę nazywamy źródłem, na przykład kamień wrzucony do wody rzeki będzie generował fale kołowe.
Fale kołowe na powierzchni cieczy
Przykładami fal są między innymi fale morskie, fale radiowe, dźwięk, światło, promieniowanie rentgenowskie, mikrofala.
Część fizyki, która bada fale i ich właściwości, nazywa się falowaniem.
Charakterystyka fali
Do scharakteryzowania fal posługujemy się następującymi wielkościami:
- Amplituda: odpowiada wysokości fali, oznaczonej odległością między punktem równowagi (spoczynku) fali a grzbietem. Zauważ, że „grzebień” wskazuje maksymalny punkt fali, a „dolina” reprezentuje punkt minimalny.
- Długość fali: Reprezentowana przez grecką literę lambda (λ), jest to odległość między dwiema kolejnymi dolinami lub grzbietami.
- Prędkość: reprezentowana przez literę (v), prędkość fali zależy od ośrodka, w którym się rozchodzi. Tak więc, gdy fala zmienia ośrodek propagacji, jej prędkość może się zmienić.
- Częstotliwość: reprezentowana przez literę (f), w systemie międzynarodowym częstotliwość jest mierzona w hercach (Hz) i odpowiada liczbie oscylacji fali w danym przedziale czasu. Częstotliwość fali nie zależy od ośrodka propagacji, a jedynie od częstotliwości źródła, które wytworzyło falę.
- Kurs czasu: reprezentowany przez literę (T), okres odpowiada czasowi długości fali. W systemie międzynarodowym jednostką miary okresu są sekundy (s).
Rodzaje fal
Jeśli chodzi o Natura, istnieją dwa rodzaje fal:
- Fale mechaniczne: aby nastąpiła propagacja, fale mechaniczne potrzebują materialnego ośrodka, na przykład fal dźwiękowych i fal na strunie.
- Fale elektromagnetyczne: w tym przypadku nie jest konieczne, aby fala rozchodziła się w materialnym ośrodku, na przykład fale radiowe i światło.
Klasyfikacja fal
Według kierunek propagacji falidzieli się je na:
-
Fale jednowymiarowe: fale rozchodzące się w jednym kierunku.
Przykład: fale na linie. -
fale dwuwymiarowe: fale rozchodzące się w dwóch kierunkach.
Przykład: fale rozchodzące się po powierzchni jeziora. -
fale trójwymiarowe: fale rozchodzące się we wszystkich możliwych kierunkach.
Przykład: fale dźwiękowe.
Fale można również sklasyfikować według kierunek wibracji:
-
Fale podłużne: drgania źródła są równoległe do przemieszczenia fali.
Przykład: fale dźwiękowe
-
Fale poprzeczne: drgania są prostopadłe do propagacji fali.
Przykład: fala na sznurku.
Formuły
Związek między okresem a częstotliwością
Okres jest odwrotnością częstotliwości.
A zatem:
prędkość propagacji
Prędkość można również obliczyć jako funkcję częstotliwości, zastępując okres odwrotnością częstotliwości.
Mamy:
Przykład
Jaki jest okres i prędkość propagacji fali o częstotliwości 5 Hz i długości fali 0,2 m?
Ponieważ okres jest odwrotnością częstotliwości, to:
Aby obliczyć prędkość, używamy długości fali i częstotliwości, w następujący sposób:
Zjawiska falujące
Odbicie
Fala propagująca się w określonym ośrodku przy napotkaniu przeszkody może ulec odbiciu, czyli odwróceniu kierunku propagacji.
Po odbiciu długość fali, prędkość propagacji i częstotliwość fali nie zmieniają się.
Przykładem jest sytuacja, w której ktoś krzyczy w dolinie i kilka sekund później słyszy echo swojego głosu.
Dzięki odbiciu światła na wypolerowanej powierzchni możemy zobaczyć własny obraz.
Obraz odbity w spokojnej tafli jeziora
Refrakcja
Refrakcja to zjawisko, które ma miejsce, gdy fala zmienia ośrodek propagacji. W takim przypadku może nastąpić zmiana wartości prędkości i kierunku propagacji.
Fale na plaży załamują się równolegle do brzegu ze względu na zjawisko załamania. Zmiana głębokości wody (ośrodka propagacji) powoduje zmianę kierunku fal, czyniąc je równoległymi do brzegu.
Dyfrakcja
Fale omijają przeszkody. Kiedy tak się dzieje, mówimy, że fala uległa dyfrakcji.
Dyfrakcja pozwala nam usłyszeć na przykład osobę po drugiej stronie ściany.
Podczas przechodzenia przez przeszkodę fale się rozpraszają.
Ingerencja
Kiedy spotykają się dwie fale, następuje interakcja między ich amplitudami zwana interferencją.
Zakłócenia mogą być konstruktywne (wzrost amplitudy) lub destrukcyjne (zmniejszona amplituda).
stojące fale
Fale stojące powstają z nakładania się równych fal okresowych iz przeciwnych kierunków.
Kiedy pojawia się konstruktywna i destrukcyjna ingerencja, przedstawiają punkty, które wibrują i inne, które nie wibrują.
Fale stojące możemy wyprodukować na strunie ze stałymi końcami, np. na strunach gitary.
Dowiedz się wszystkiego o:
- Fale dźwiękowe
- Prędkość dźwięku
- Prędkość światła
- Energia
- fale grawitacyjne
- Wzory fizyki
Ćwiczenia na egzamin wstępny
1. (ENEM - 2016)
Elektrokardiogram, badanie używane do oceny stanu serca pacjenta, jest zapisem aktywności elektrycznej serca w określonym czasie. Rysunek przedstawia elektrokardiogram wypoczętego, niepalącego dorosłego pacjenta w przyjemnej temperaturze otoczenia. W tych warunkach tętno od 60 do 100 uderzeń na minutę jest uważane za normalne.
Na podstawie przedstawionego elektrokardiogramu stwierdzono, że częstość akcji serca pacjenta wynosi
nie normalne.
b) powyżej idealnej wartości
c) poniżej idealnej wartości
d) blisko dolnej granicy
e) blisko górnej granicy
Alternatywa c) poniżej idealnej wartości
2. (ENEM 2013)
Pasażerowie podróżujący samolotem proszeni są o wyłączenie wszystkich urządzeń, których działanie wiąże się z emisją lub odbiorem fal elektromagnetycznych. Procedura służy do eliminacji źródeł promieniowania, które mogłyby zakłócać łączność radiową pilotów z wieżą kontrolną.
Własnością emitowanych fal uzasadniającą przyjętą procedurę jest fakt, że
a) mają przeciwne fazy
b) być słyszalne
c) mają intensywności odwrotne
d) mieć ten sam zakres
e) mają bliskie częstotliwości
Alternatywa e) mają bliskie częstotliwości
3. (ENEM 2013)
Powszechną manifestacją kibiców na stadionach piłkarskich jest meksykańska ola. Widzowie linii, nie opuszczając swojego miejsca i nie poruszając się na boki, stoją i siedzą, zsynchronizowani z widownią sąsiedniej linii. Zbiorowy efekt rozprzestrzenia się na widowni stadionu, tworząc progresywną falę, jak pokazano na ilustracji.
Szacuje się, że prędkość propagacji tej „ludzkiej fali” wynosi 45 km/h, a w każdym okresie oscylacji bierze udział 16 osób, które wstają i siedzą równo i oddalone od siebie o 80 cm.
W tej meksykańskiej oli częstotliwość fali w hercach jest wartością bliższą
a) 0,3
b) 0,5
c) 1,0
d) 1,9
e) 3,7
Alternatywa c) 1,0
