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:
|