Kolebaniya i volny. Lekcii.
V.A.Aleshkevich, L.G.Dedenko, V.A.Karavaev (Fizicheskii fakul'tet MGU)Izdatel'stvo Fizicheskogo fakul'teta MGU, 2001 g. Soderzhanie
Opredelim teper' skorost' dvizheniya etoi volny. Dlya etogo prosledim
za dvizheniem grebnya volny, vershina kotorogo v nekotoryi moment vremeni
nahoditsya v tochke
Pust' za vremya
etot greben' smestitsya na
rasstoyanie
Poskol'ku na vershine grebnya massy imeyut
maksimal'noe polozhitel'noe smeshenie, to faza ih kolebanii postoyanna i ravna
![]() | (4.11) |
Poetomu
![]() | (4.12) |
Otsyuda skorost' poluchaetsya ravnoi
![]() | (4.13) |
Skorost' nazyvaetsya fazovoi skorost'yu garmonicheskoi volny s
chastotoi
Proanaliziruem zavisimost' etoi
skorosti ot volnovogo chisla, pol'zuyas' dispersionnym sootnosheniem (4.1). Dlya
etogo perepishem ego s uchetom (4.4) v vide:
![]() | (4.14) |
Grafik zavisimosti (4.14) nazyvaetsya dispersionnoi krivoi i izobrazhen na ris. 4.5a.
![]() |
Ris. 4.5a. |
Na etoi krivoi tochkami otmecheny znacheniya chastot i volnovyh
chisel
Punktirom izobrazhena pryamaya
Ona poluchaetsya iz (4.14) predel'nym perehodom pri
(nepreryvnaya
sreda).
Iz formuly (4.14) ili iz ris. 4.5a mozhno sdelat' ryad principial'no vazhnyh vyvodov.
1) Iz nelineinoi zavisimosti opisyvaemoi
formuloi (4.14), sleduet, chto fazovaya skorost' garmonicheskoi volny
zavisit ot
(ili ot
):
![]() | (4.15) |
Zavisimost' (4.15) izobrazhena na ris. 4.5b.
![]() |
Ris. 4.5b. |
Eto yavlenie nosit nazvanie dispersii sredy po otnosheniyu k rasprostranyayusheisya
v nei volne. Ekvivalentnym yavlyaetsya vyrazhenie "dispersiya volny v srede".
Esli fazovaya skorost' volny ne zavisit ot kak, naprimer, v sluchae
nepreryvnoi sredy, to govoryat, chto dispersiya otsutstvuet.
2) Dlya malen'kih volnovyh chisel ( ili
)
dispersiya mala. Skorost' takih "dlinnyh voln"
i
sreda mozhet schitat'sya sploshnoi.
3) S uvelicheniem volnovogo chisla (a znachit i
)
skorost'
kak eto sleduet iz (4.15), ubyvaet. Takoe povedenie
skorosti nazyvaetsya normal'noi dispersiei. Sleduet otmetit', chto v optike,
pomimo etoi, realizuetsya i drugaya situaciya, kogda fazovaya skorost' sveta v
nekotorom diapazone chastot mozhet vozrastat' s uvelicheniem chastoty. V etom
sluchae dispersiya nazyvaetsya anomal'noi.
4) Dispersionnaya krivaya zakanchivaetsya, kogda volnovoe chislo i chastota
dostigayut maksimal'nyh znachenii i
Oni poluchayutsya iz
(4.14) i (4.1) pri
:
![]() |
Eto oznachaet, chto volny s chastotoi v takoi srede
rasprostranyat'sya ne mogut. Deistvitel'no, pri chastote
dlina volny
Volny s men'shei dlinoi
volny ne mogut sushestvovat', poskol'ku na dline rasprostranyayusheisya volny
dolzhno nahodit'sya ne men'she dvuh koleblyushihsya gruzov.
Zametim, chto v nekotoryh sluchayah, naprimer, pri rasprostranenii
elektromagnitnyh voln v tverdom tele i v plazme, krivaya dispersii mozhet
nachinat'sya s nekotoroi tochki na osi chastot V takih sredah
mogut rasprostranyat'sya elektromagnitnye volny tol'ko s chastotami
lezhashimi vnutri intervala
V kachestve primera ukazhem, chto dlya kristallov velichina (
- uprugaya sila, velichina kotoroi opredelyaetsya mezhatomnym vzaimodeistviem).
Esli prinyat' massu iona ravnoi
to
Eta
chastota, kak i chastoty kolebanii molekul CO2 i H2O, lezhit v
infrakrasnoi oblasti elektromagnitnogo spektra. Poetomu pri rasprostranenii
IK izlucheniya v kristallah iony mogut sovershat' rezonansnye kolebaniya. V etom
chastotnom opticheskom diapazone mozhet sushestvovat' sil'naya dispersiya sveta.
Otmetim, chto pri rasprostranenii voln v protyazhennyh sredah problemy
"nastroiki" chastoty vneshnego vozdeistviya, porozhdayushego volnu, na
chastotu
odnoi iz mod sredy ne sushestvuet. Lyuboe vozdeistvie
vneshnei sily, dazhe skol' ugodno blizkoi k garmonicheskoi, na samom dele
vsegda budet kvazigarmonicheskim, harakterizuemym uzkim intervalom chastot
S drugoi storony, dlya protyazhennoi sredy k
chastote
budut blizki chastoty
mod s bol'shimi
nomerami
Raznost' chastot dvuh sosednih mod
kak eto legko videt' iz risunka 4.5,
budet nastol'ko maloi, chto
Sledovatel'no, dlya lyuboi chastoty
vneshnego vozdeistviya,
prikladyvaemogo k granice sredy, po nei pobezhit volna, kotoruyu v ryade
sluchaev mozhno priblizhenno schitat' garmonicheskoi:
![]() | (4.16) |
Gruppa voln i ee skorost'.
Kak i vneshnee vozdeistvie, volna, voznikayushaya v
srede, budet, strogo govorya, kvazigarmonicheskoi, t. k. Poetomu vmesto (4.16) sleduet zapisat' uravnenie volny v bolee uslozhnennom vide:
![]() | (4.17) |
Zdes' amplituda i faza
yavlyayutsya medlenno
menyayushimisya funkciyami vremeni na nekotorom masshtabe vremeni
(sravnite s formuloi (3.19)). Estestvenno, chto takaya volna predstavlyaet
soboi gruppu garmonicheskih voln, chastoty kotoryh raspolagayutsya vblizi
osnovnoi chastoty
v predelah intervala
Kazhdaya iz voln gruppy v srede s dispersiei imeet sobstvennuyu
fazovuyu skorost'. V srede s normal'noi dispersiei volny bol'shei chastoty
budut dvigat'sya medlennee, chem volny men'shei chastoty. Voznikaet estestvennyi
vopros: chto yavlyaetsya skorost'yu gruppy voln, i esli takaya skorost'
sushestvuet, to kak ee vychislit'? Kakoi fizicheskii smysl imeet eta skorost' i
v chem ee otlichie ot fazovoi skorosti ?
Chtoby otvetit' na eti voprosy, rassmotrim dlya prostoty gruppu iz dvuh voln s
odinakovymi amplitudami i s blizkimi chastotami
i
begushih v polozhitel'nom napravlenii osi h. Budem schitat',
chto
S takoi situaciei my uzhe
vstrechalis' pri analize bienii dvuh svyazannyh oscillyatorov. Zadadim
dispersionnye svoistva sredy dispersionnym sootnosheniem
S ego pomosh'yu vychislim znacheniya
i
dvuh volnovyh
chisel, sootvetstvuyushih chastotam
i
Togda
uravnenie gruppy voln primet vid:
![]() | (4.18) |
Zdes'
Publikacii s klyuchevymi slovami:
kolebaniya - volny
Publikacii so slovami: kolebaniya - volny | |
Sm. takzhe:
|