fizikzauglom

เกรด 9 · คลื่นกลและเสียง

คลื่นกล

คลื่นตามยาวและคลื่นตามขวาง ความยาวคลื่น ความถี่ และอัตราเร็ว

24 นาที6 บัตรทฤษฎี
เริ่มบทเรียนแบบโต้ตอบ

อ่านเนื้อหาทฤษฎีของบทเรียนทั้งหมดได้ที่นี่โดยไม่ต้องมีบัญชี ในบทเรียนแบบโต้ตอบ เนื้อหาเดียวกันจะแบ่งเป็นการ์ด ตามด้วยคำถามพร้อมคำอธิบายหลังตอบและโจทย์ฝึก ระบบจะบันทึกความก้าวหน้าของคุณ

ค่อย ๆ ทำความเข้าใจทีละขั้น

สันคลื่นเคลื่อนที่ไปตามเชือก แต่จุดที่ทำเครื่องหมายไว้เพียงขยับขึ้นลง สิ่งใดไปถึงปลายอีกด้าน ทั้งที่เชือกไม่ได้ย้ายไปที่นั่นทั้งเส้น?

สองขณะของเชือกเส้นเดียวt₁t₂v จุดv คลื่นจุดแดงไม่เคลื่อนไปพร้อมสันคลื่นการรบกวนเคลื่อนไปทางขวา
ภาพสองขณะต่อเนื่องของเชือกเส้นเดียว สันคลื่นเลื่อนไปทางขวา แต่เครื่องหมายสีแดงคงตำแหน่งแนวราบเดิม ในภาพแรกมันอยู่บนด้านหน้าที่ลาดของสันคลื่นและกำลังเคลื่อนขึ้น ในภาพที่สองเมื่อสันคลื่นผ่านไป มันกลับสู่สมดุลแล้ว นี่คือแบบจำลองการกระจัดตามขวางขนาดเล็ก

ส่งต่อการเคลื่อนที่ให้ส่วนข้างเคียง

ขยับปลายเชือกที่ขึงตึง ส่วนที่เบนออกดึงส่วนข้างเคียงด้วยแรงยืดหยุ่น ส่วนนั้นจึงเคลื่อนที่และออกแรงต่อส่วนถัดไป การรบกวนส่งต่อจากส่วนหนึ่งสู่อีกส่วนด้วยอัตราเร็วจำกัด นี่คือคลื่นกล หรือการแผ่ของการรบกวนและพลังงานผ่านตัวกลาง หากตัดการเชื่อมต่อระหว่างส่วนต่าง ๆ การส่งต่อจะหยุด ตัวกลางไม่ใช่ทางให้ชิ้นส่วนพุ่งผ่าน แต่เป็นระบบของส่วนที่มีอันตรกิริยาต่อกัน

แรงตึงเชื่อมส่วนข้างเคียงส่วนที่ยกขึ้นT₁T₂การรบกวนการส่งต่อให้เพื่อนบ้านถ่ายโอนพลังงาน
จุดแทนส่วนข้างเคียงของเชือกตึงเส้นเดียว เชื่อมด้วยเส้นเชือกต่อเนื่อง ส่วนที่เน้นถูกแรงตึงจากเพื่อนบ้านทั้งสองด้านกระทำ แรงตึงจากส่วนด้านซ้ายที่ยกสูงมีองค์ประกอบขึ้นด้านบน จึงทำให้ส่วนถัดไปเริ่มเคลื่อนที่

ตัวกลางยังอยู่ใกล้ตำแหน่งเดิม

ผูกเครื่องหมายสีสดไว้ที่เชือกและติดตามเฉพาะจุดนั้น ในแบบจำลองอย่างง่าย จุดจะสั่นรอบตำแหน่งเดิมขณะที่สันคลื่นเคลื่อนต่อไป อัตราเร็วคลื่น v วัดการเคลื่อนที่ของเฟสหนึ่งของการรบกวนผ่านตัวกลาง ไม่ใช่อัตราเร็วขึ้นลงของเครื่องหมาย ที่ตำแหน่งปลาย เครื่องหมายอาจหยุดชั่วขณะแต่คลื่นยังเดินทางต่อ การเคลื่อนที่ของสสารจึงต่างจากการส่งต่อรูปคลื่น คลื่นจริงอาจมีผลอื่นนอกเหนือจากแบบจำลองอย่างง่ายนี้

ภาพขณะหนึ่งของคลื่นตามขวางλv คลื่นv จุดขณะนี้เครื่องหมายเคลื่อนขึ้นคลื่นเคลื่อนไปทางขวา
ภาพขณะหนึ่งของคลื่นไซน์ที่เคลื่อนไปทางขวา เครื่องหมายสีแดงอยู่บนเชือกและกำลังผ่านตำแหน่งสมดุลขึ้นด้านบน ความเร็วแนวดิ่งของมันต่างจากความเร็วแนวราบของคลื่น เมื่อครบหนึ่งรอบ เครื่องหมายกลับที่เดิม แต่สันคลื่นเคลื่อนไปหนึ่งความยาวคลื่น λ ระยะ λ ที่กำกับเชื่อมระหว่างสันคลื่นติดกันพอดี

สองทิศทาง

เปรียบเทียบทิศที่คลื่นเดินทางกับทิศการกระจัดของอนุภาค บนสายที่ขึงตึง การสั่นตามขวางตั้งฉากกับทิศการแผ่คลื่น สำหรับเสียงในอากาศ อนุภาคเคลื่อนตามทิศการแผ่คลื่น เกิดส่วนอัดและส่วนขยายสลับกัน จึงเป็นคลื่นตามยาว เส้นไซน์ที่ใช้แทนเสียงมักแสดงความดัน ไม่ใช่เส้นทางคดเคี้ยวของโมเลกุล รูปร่างกราฟเพียงอย่างเดียวจึงบอกชนิดคลื่นไม่ได้

ตามขวาง: เชือกv จุดคลื่นตามยาว: ส่วนอัดในแก๊สคลื่นv จุดเปรียบเทียบทิศความเร็ว
ด้านบนเป็นเชือก จุดที่เลือกเคลื่อนขึ้น ตั้งฉากกับทิศการแผ่คลื่นไปทางขวา ด้านล่างเป็นคลื่นตามยาวในแก๊ส แถบแทนส่วนของตัวกลาง โดยส่วนอัดสลับกับส่วนขยาย ส่วนที่เลือกกำลังเคลื่อนไปทางขวาตามทิศการแผ่คลื่น ลูกศรแสดงความเร็วขณะนั้น อนุภาคยังคงอยู่ใกล้ตำแหน่งสมดุลของตน

ความยาวคลื่นหมายถึงอะไร

ถ่ายภาพคลื่นที่เป็นคาบ ณ ขณะหนึ่ง ระยะตามทิศการแผ่คลื่นระหว่างจุดที่ใกล้กันที่สุดและมีเฟสตรงกันเรียกว่า ความยาวคลื่น λ มีหน่วยเมตร สำหรับคลื่นไซน์ นี่คือระยะระหว่างสันคลื่นติดกันหรือท้องคลื่นติดกัน จากสันถึงท้องที่ใกล้ที่สุดมีระยะเพียง λ/2 เพราะอยู่ในสภาพตรงข้ามกัน ความยาวคลื่นบอกการซ้ำของรูปคลื่นในอวกาศ ไม่ใช่ความยาวเชือกทั้งหมดที่ถูกรบกวน

คลื่น ณ ขณะเดียวλλλ/2ตามแนวคลื่นระหว่างเฟสต่างกัน
ภาพเชือกขณะเดียว เส้นบอกระยะสีเขียวเชื่อมสันคลื่นติดกัน ส่วนสีน้ำเงินเชื่อมท้องคลื่นติดกัน ทั้งสองยาว λ ระยะสีแดงจากสันถึงท้องที่ใกล้ที่สุดเท่ากับ λ/2 ระยะทั้งหมดวัดตามทิศการแผ่คลื่น มีหน่วยเมตร

สันคลื่นไม่ใช่รอบการสั่น

แทนการถ่ายภาพ ให้เฝ้าดูเครื่องหมายจุดเดียวพร้อมนาฬิกา เวลาที่จุดนั้นสั่นครบหนึ่งรอบคือคาบ T ในเวลาเดียวกัน สันคลื่นถัดไปมาถึงตำแหน่งเดิมของสันก่อนหน้า รูปคลื่นจึงเลื่อนไป λ ดังนั้น v = λ/T หากระยะเพิ่มเป็นสองเท่าในเวลาเท่าเดิม อัตราเร็วเพิ่มเป็นสองเท่า หากระยะเท่าเดิมแต่เวลาเพิ่มเป็นสองเท่า อัตราเร็วเหลือครึ่งหนึ่ง คาบวัดการซ้ำตามเวลา ส่วนความยาวคลื่นวัดการซ้ำในอวกาศ

จุดเดียวตามเวลาทั้งตัวกลาง ณ ขณะเดียวy, смy, см-101-10100,51024t, сx, мT = 0,5 сλ = 2 мv = λ/T = 2/0,5 = 4 м/с
ซ้าย: จุดหนึ่งสั่นสองรอบต่อวินาที T = 0,5 с ขวา: ภาพเชือกทั้งเส้นขณะเดียวมีรูปคลื่นซ้ำสองชุดในระยะสี่เมตร λ = 2 м ทั้งสองกราฟมีแอมพลิจูด 1 cm ในหนึ่งคาบคลื่นเดินทางหนึ่งความยาวคลื่น ดังนั้น v = 4 м/с

ความสัมพันธ์ของสามปริมาณ

เพราะ ν = 1/T จึงเขียนความสัมพันธ์ได้เป็น v = λν เมตรคูณเฮิรตซ์ให้หน่วย m/s แหล่งกำเนิดสร้าง ν รอบต่อวินาที แต่ละรอบสอดคล้องกับระยะ λ แหล่งกำเนิดกำหนดความถี่ ส่วนสมบัติของตัวกลางและในบางตัวกลางรวมถึงความถี่ด้วยเป็นตัวกำหนดอัตราเร็ว ความยาวคลื่นจึงปรับตามเงื่อนไขเหล่านี้ สูตรเชื่อมโยงปริมาณต่าง ๆ แต่ไม่ได้บอกว่าการเปลี่ยน ν จะเปลี่ยน v เสมอ

v = λ · νλเมตร·νเฮิรตซ์v ในหน่วย м/сแหล่งกำเนิดกำหนดความถี่ตัวกลางกำหนดอัตราเร็ว
อัตราเร็วคลื่นเท่ากับความยาวคลื่นคูณความถี่ เมตรคูณเฮิรตซ์ให้เมตรต่อวินาที แหล่งกำเนิดกำหนดความถี่ ส่วนสมบัติของตัวกลางกำหนดอัตราเร็ว

ความถี่สูงขึ้น ความยาวคลื่นสั้นลง

สมมติอัตราเร็วคลื่นในตัวกลางเดิมคงที่ แต่แหล่งกำเนิดสั่นถี่ขึ้นสองเท่า สันคลื่นเกิดถี่ขึ้นสองเท่าและเคลื่อนด้วยอัตราเร็วเดิม ระยะห่างจึงเหลือครึ่งหนึ่ง: λ = v/ν ที่รอยต่ออยู่นิ่งระหว่างสองตัวกลาง ความถี่คงเดิม ส่วนอัตราเร็วที่เปลี่ยนทำให้ความยาวคลื่นเปลี่ยน หากอัตราเร็วขึ้นกับความถี่ ซึ่งเรียกว่าการกระจาย กฎง่าย ๆ ว่าความถี่เพิ่มสองเท่าความยาวคลื่นเหลือครึ่งหนึ่งต้องตรวจสอบเพิ่ม

ตัวกลางเดิม: อัตราเร็วคงที่ν = 2 Гцν = 4 Гц4 м/с4 м/сλ = 2 мλ = 1 мเมื่อ v คงที่: λ = v/ν
ภาพสองกรณีในตัวกลางเดียวกันที่อัตราเร็วเท่ากัน 4 m/s ที่ความถี่ 2 Hz ความยาวคลื่นเท่ากับ 2 m ส่วนที่ 4 Hz เท่ากับ 1 m เชือกช่วงยาวเท่ากันมีรูปคลื่นสองและสี่รอบ โดยแอมพลิจูดเท่ากัน ในกรณีนี้อัตราเร็วไม่ขึ้นกับความถี่

เมื่อใดต้องมีตัวกลาง

ส่งการเคลื่อนที่นี้ผ่านความว่างได้หรือไม่? คลื่นกลต้องมีอนุภาคและอันตรกิริยาระหว่างอนุภาค ในสุญญากาศไม่มีลำดับอนุภาคให้ส่งต่อการกระจัด ของเหลวและแก๊สนำเสียงตามยาวได้ แต่ไม่รองรับคลื่นยืดหยุ่นตามขวางทั่วไปภายในเนื้อสาร คลื่นผิวน้ำเป็นกรณีที่ซับซ้อนกว่า เพราะแรงโน้มถ่วงมีบทบาทดึงกลับด้วย และการเคลื่อนที่ของอนุภาคไม่อาจจัดด้วยการแบ่งอย่างง่ายนี้

ในสสารในสุญญากาศมีแรงยืดหยุ่นเชื่อมโยงไม่มีอนุภาคตัวกลางไม่มีอนุภาคให้ส่งต่อคลื่นกลต้องอาศัยตัวกลางเสียงในแก๊สและของเหลวเป็นคลื่นตามยาว
ซ้าย: ส่วนของสสารเชื่อมโยงกันและส่งต่อการรบกวนเชิงกล ขวา: สุญญากาศไม่มีอนุภาคตัวกลาง เสียงซึ่งเป็นคลื่นกลทั่วไปจึงไม่มีตัวกลางให้แผ่ผ่าน เสียงภายในแก๊สและของเหลวเป็นคลื่นตามยาว ข้อความนี้ไม่ได้กล่าวถึงคลื่นบนผิวอิสระ

คลื่นบนเชือก

คลื่นเดินทางด้วยอัตราเร็ว 4 m/s แหล่งกำเนิดสั่น 2 รอบต่อวินาที จงหาความยาวคลื่น

คลื่นบนเชือกเส้นเดียวν = 2 Гцแหล่งกำเนิดv = 4 м/сλ — ?หาระยะระหว่างสันคลื่นความสัมพันธ์: v = λν
แหล่งกำเนิดแสดงด้วยสีแดงตรงปลายเชือกต่อเนื่องพอดี มันสั่นสองรอบต่อวินาที และคลื่นเคลื่อนไปทางขวาด้วยอัตราเร็ว 4 m/s ความยาวคลื่นวัดระหว่างสันคลื่นติดกัน ซึ่งเชื่อมด้วยเส้นบอกระยะในภาพ

ลองดูตัวอย่าง · 1

แหล่งกำเนิดสั่น 2 รอบต่อวินาที ดังนั้น ν = 2 Гц รูปคลื่นเคลื่อนที่ได้ 4 m ในหนึ่งวินาที

ระบุความถี่และอัตราเร็วคลื่นν = 2 Гцแหล่งกำเนิดv = 4 м/сλ — ?ν = 2 Гц; v = 4 м/сความยาวคลื่นที่หา: λ = v/ν
ใช้แหล่งกำเนิด รูปร่างเชือก และสันคลื่นติดกันคู่เดิม ความถี่แหล่งกำเนิดคือ ν = 2 Гц และอัตราเร็วการแผ่คลื่นคือ v = 4 м/с ความเร็วของอนุภาคเชือกที่ทำเครื่องหมายและความเร็วคลื่นเป็นคนละปริมาณ

ลองดูตัวอย่าง · 2

ระยะ 4 m นี้มีรูปคลื่นซ้ำสองชุด: λ = v/ν = 4/2 = 2 м

คำนวณความยาวคลื่นν = 2 Гцแหล่งกำเนิดv = 4 м/сλ = 2 мλ = v/ν = 4/2 = 2 мм/с : 1/с = м
บนเชือกเดิม ระยะระหว่างสันคลื่นติดกันคู่เดิมกำกับเป็น λ = 2 м ได้จากการนำอัตราเร็วการแผ่คลื่น 4 m/s หารด้วยความถี่แหล่งกำเนิด 2 Hz ในหนึ่งวินาที คลื่นเคลื่อนที่ได้สองช่วงซ้ำเช่นนี้

ลองดูตัวอย่าง · 3

ตรวจสอบด้วยเวลา: T = 1/ν = 0,5 с ในหนึ่งคาบ สันคลื่นเคลื่อนที่ได้ vT = 4 · 0,5 = 2 м ซึ่งเท่ากับหนึ่งความยาวคลื่นพอดี

ติดตามสันคลื่นหนึ่งสันν = 2 Гцแหล่งกำเนิดv = 4 м/сλ = 2 мT = 1/ν = 0,5 сvT = 4 · 0,5 = 2 м = λ
เครื่องหมายเส้นร่างแสดงสันคลื่นที่เลือกในตอนต้น ส่วนสีเขียวแสดงสันเดิมหลัง 0.5 s อยู่ขวาไปหนึ่งความยาวคลื่น นี่คือการกระจัดของเฟสคลื่น ไม่ใช่ของอนุภาคเชือก ในหนึ่งคาบ vT = 4 · 0,5 = 2 м ตรงกับความยาวคลื่นที่หาได้

ตรวจสอบผลลัพธ์

λ = 2 м คือระยะระหว่างสันคลื่นติดกัน ทุก 0.5 s รูปคลื่นเลื่อนไปเป็นระยะ 2 m นี้

สาระสำคัญ · 1

ในคลื่นกล ส่วนข้างเคียงของตัวกลางส่งต่อการรบกวน อัตราเร็วคลื่นต่างจากอัตราเร็วของอนุภาคแต่ละตัว

สาระสำคัญ · 2

คาบ T วัดการซ้ำของการเคลื่อนที่ของจุดหนึ่งตามเวลา ส่วน λ วัดการซ้ำของรูปคลื่นในอวกาศ

สาระสำคัญ · 3

v = λν มาจากการเคลื่อนที่ไปหนึ่งความยาวคลื่นในหนึ่งคาบ การพิจารณาการเปลี่ยนความถี่ต้องคำนึงถึงสมบัติของตัวกลางด้วย

เรียนอะไรต่อ

นำแนวคิดเหล่านี้ไปใช้กับคลื่นเสียงที่ได้ยินและเสียงสะท้อน

แนวคิดพื้นฐาน

3 แนวคิด

คลื่นตามยาวและตามขวาง

ในคลื่นตามยาว อนุภาคสั่นตามทิศการแผ่คลื่น ส่วนในคลื่นตามขวาง อนุภาคสั่นตั้งฉากกับทิศนั้น

เสียงในแก๊สเป็นคลื่นตามยาว ส่วนคลื่นบนสายที่ขึงตึงเป็นคลื่นตามขวางในแบบจำลองอย่างง่าย

คลื่นกล

การแพร่กระจายของการสั่นสะเทือนและพลังงานในตัวกลางยืดหยุ่นโดยไม่มีการถ่ายโอนสสารในระยะทางไกล

อนุภาคของตัวกลางสั่นรอบตำแหน่งสมดุลและส่งต่อการรบกวนให้อนุภาคข้างเคียง

ความยาวคลื่น

ระยะตามทิศการแผ่คลื่นระหว่างจุดที่ใกล้กันที่สุดซึ่งสั่นด้วยเฟสเดียวกัน เท่ากับระยะที่คลื่นเดินทางในหนึ่งคาบ

เมื่ออัตราเร็วคลื่นคงที่ ความยาวคลื่น λ = v/ν แปรผกผันกับความถี่ เงื่อนไขนี้สำคัญ เพราะในตัวกลางที่มีการกระจาย อัตราเร็วเองขึ้นกับความถี่ด้วย

ปริมาณทางฟิสิกส์

2 ปริมาณ

ความยาวคลื่น

\lambda

ระยะทางที่คลื่นเดินทางในหนึ่งคาบ

หน่วย: เมตร · \mathrm{м}

ความเร็วคลื่น

v

อัตราเร็วที่เฟสของการสั่นแผ่ผ่านตัวกลาง

หน่วย: เมตรต่อวินาที · \frac{\mathrm{м}}{\mathrm{с}}

สูตรบทเรียน

1 สูตร

ความเร็วคลื่น

v=\lambda\nu

อัตราเร็วคลื่นเท่ากับความยาวคลื่นคูณความถี่

ทดลองความสัมพันธ์

คาดการณ์ก่อน ปุ่มทดลองจะเปลี่ยนปริมาณที่ระบุ จากนั้นเปรียบเทียบผลและสำรวจค่าอื่น

คลื่นและการเคลื่อนที่ของตัวกลาง

λ = v/ν; y = A sin[2π(x/λ − νt)]

คลื่นตามขวางฮาร์มอนิกในตัวกลางสม่ำเสมอ ไม่มีการหน่วงหรือการกระจาย จุดที่ทำเครื่องหมายมี x = 2 m คงที่และเคลื่อนที่ในแนวขวางเท่านั้น

เมื่อ v = 4 m/s ถ้าเพิ่มความถี่จาก 1 เป็น 2 Hz ความยาวคลื่นจะเปลี่ยนอย่างไร?

การคาดการณ์ของคุณ

ค่าเริ่มต้น

0-0.622-0.314060.3180.62y, мx, м
y

ผลการคำนวณ

λ
4 м
T
1 с
y(2 м)
0 м
อธิบายผล

สันคลื่นเคลื่อนไปทางขวา แต่จุดของตัวกลางเคลื่อนขึ้นลง เมื่ออัตราเร็วคลื่นคงที่ การเพิ่มความถี่เป็นสองเท่าทำให้ระยะระหว่างสันคลื่นเหลือครึ่งหนึ่ง

สูตรที่เกี่ยวข้อง

สูตรเดียวกันในคู่มืออ้างอิง พร้อมสัญลักษณ์และหน่วย

โจทย์ในหัวข้อนี้

โจทย์ ตัวเลือกคำตอบ และวิธีทำ