Физика | Толқындық құбылыстар

Мазмұны
I Кіріспе:
а) Толқындық құбылыстар.
б) Толқын, толқын энергиясы.
II Негізгі бөлім:
Электромагниттік толқындар.
III Қорытынды:
Электромагниттік толқындарды эксперементте
бақылау.......
I Кіріспе:
а) толқындық құбылыстар.
Толқындық процестер табиғатта өте кең таралған. Толғындық қозғалысты тудыратын физикалық себептер түрліше болады. Бірақ тербелістер тәрізді толқындардың барлық түрі де сандық мәністе бірдей не бірдей дерлік заңдармен сипатталады. Егер түрліше толқындық құбылыстарды бір-бірімен салыстырып отырса, онда түсінуге қиын деген мәселелердің өзі айқындала түседі.
Толқын дегеніміз не? Толқын деп уақыт бойынша кеністікте таралатын тербелістерді айтады.
Ауада, қаттыденелерде және ұйық ішінде механикалық толқындар серпінділік күштері арқасында пайда болады. Осы күштер дененің жеке бөліктерінің арасын байланыстырып тұрады. Су бетіндегі толқындардың пайда болуында ауырлық күші мен реттік керілу күшінің ролі бар.
Толқындық қозғалыстың ең басты ерекшеліктерін нағыз көрнекті түрде су бетіндегі толқындардын көруге болады. Толқындар дөнгелек жалдар түрінде ілгері жөңкіп бара жатқандай. Сонда жалдардың немесе өркештердің аралары бірдей дерлік болады. Дегенмен, егер суға жеңіл нәрсе, мысалы сіріңке қорабын, тастап жіберсек, ол толқынмен ілесіп алға кетпей, дәл бір орында тұрып, жоғары – төмен тербеле бастайды.
Толқын таралған кезде ішінде толқын таралатын зат тасымалданбайды, тербелуші ортаның айрықша күйінің орын ауыстыруы болады. Бір жерде (мысалы, тасталған тастан) пайда болған судың ұйытқуы көршілес бөліктерге беріліп, осылай біртіндеп жан – жаққа тарайды. Ал су ақпайды: орын ауыстыратын тек оның бетінің пішіні ғана.
Толқын жылдамдығы. Толқынның аса маңызды сйпаттамасы – оның таралу жылдамдығы. Қандай толқын болса да кеңістікке лезде таралмайды. Олардың жылдамдығы шектелуі. Мәселен, теніз үстіндегі шағала үнемі бір ғана толқын жотасының үстімен ұшады дерлік. Бұл жағдайда толқын жылдамдығы шағаланың жылдамдығына тең. Су бетіндегі толқындардың таралу жылдамдығы үлкен емес болғандықтан да бұл құбылыс бақылау үшін ыңғайлы.
Көлденең және қума толқындар. Резеңке баудын бойымен тарайтын толқындарды да бақылау қыиын емес. Егер баудын бір ұшын бекітіп, оны аздап қолмен созып, екінші ұшын тербелмелі қозғалысқа клтірсе, сонда баудын бойымен толқын жүгіреді. Бауды неғұрлым күштірек созсақ, толқынның жылдамдығы соғұрлым үлкен болады. Толқын бауды бекіткен нүктеге жетіп барып шағылады да, кері қайтады. Мұнда толқын таралу кезінде баудың пішіні өзгереді. Ал баудың әр бөлігі өзінің өзгермейтін тепе – теңдік қалпына қатысты тербеледі. Мұнаған назар аударындар: толқын баудың бойымен таралған баудың жеке бөліктері толқынның таралу бағытына перпендикуляр бағытта тербеледі. Осындай толқындарды көлденең толқындар деп атайды.
Бірақ кез келген толқын көлденең толқын болмайды. Толқының таралу бағыты бойымен жасалатын тербелістер де бар. Ондай толқын қума толқын деп аталады. Қума толқынды диаметірі үлкен ұзын жұмсақ серіппенің көмегімен бақылау ынғайлы. Серіппенің бір ұшынаң алақанымен қағып қалып, сығылудың (серпінді инпульс) серіппе бойымен қалай жүгіріп өтетін байқауға болады. Серіппені қаққылай отырып, бірін – бірі іркес – тіркес қуалаған, серіппенің сығылуы мен созылуынан тұратын толқын қоздыруға болады. Серіппенің кез келген орамы толқынның таралу бағытына бойымен тербеледі.
Тербеліс Толқынның таралу
бағыты бағыты
Толқын энергиясы. Механикалық толқын таралған кезде дененің бір бөлігінен екінші бөлігіне қозғалыс жеткізіліп тұрады. Қозғалыс жеткізілгенде онымен ілесе энергия жеткізіледі. Барлық толқындардың, табиғатына байланыссыз, ең негізгі қасиеті – олардың затты тасымалдамай, энергияны тасымалдауы. Бау, ішек сияқылдылардын ұштарына қоздырып тербелтетін көзден энергия беріледі де, ол толқынмен бірге таралады. Кез келген көлденен қима арқылы, мысалы бау арқылы, энергия үздіксіз келіп тұрады. Бұл энергия бау бөліктері қозғалыстарының кинетикалық энергиядан және серпінді деформациясының потенциалдық энергиясынан құралады. Толқын таралған кезде тербеліс амплетудасы біртіндеп кемитіні механикалық энергияны бір бөлігінің ішкі энергияға айналуына байланысты.
Толқын ұзындығы. Егер созылған резеңке баудын ұшын белгілі v жиілікпен гармоникалық түрде тербелте бастасақ, онда бұл тербелістер баудың бойымен тарала бастайды. Баудың кез келген бөлігінің тербелісі баудың ұшының тербелісінің жиілігімен және амплитудасымен тербелетін болады. Бірақ бұл тербелістер фаза жағынан бір – бірлеріне қатысты ығысулы болады. Мұндай толқындар монохроматты деп аталады.
Егер баудың екі нүктесінің тербелістерінің фазалары ығысуы болса, онда бұл нүктелер дәлме – дәл бірдей тербелістер жасайды: себебі екені белгілі. Мұндай тербелістер синфаздық (бірдей фазада өтеді) деп аталады. Бірдей фазада тербелетін іргелес екі нүктенің ара қашықтығы толқын ұзындығы деп аталады.
толқын ұзындығының, жиіліктің және толқынның таралу жылдамдығының арасындағы байланыс нүкте бір период ішінде толқын қашықтыққа таралады. Сондықтан оның жылдамдығы мына формуламен анықталады:
Ал T период пен жиілік қатысымен байланысатындықтан, былай болады:
Толқынның жылдамдығы толқын ұзындығы мен тербеліс жиілігінің көбейтіндісіне тең. Толқын бау бойымен таралған кезде біз екі текті периодтылықты кездестіреміз.
Біріншіден, баудын әрбір бөлшегі уақыт бойынша периодты тербелістер жасайды. Гармоникалық тербелістер жағдайынды (бұл тербелістер синусоидалық не косинусоидалық заң бойынша жүреді) тербелістердін жиілігі мен амплитудасы барлық нүктелерде бірдей. Тербелістер тек фазалары бойынша ажыратылады.
Екіншіден, берілген уақыт мезетінде толқын пішіні кеңістікте баудың бойымен ұзындығы кесінді сайын қайталайды. Белгілі бір уақыт мезетіндегі толқын профилі көрсетілген (қара сызық). Уақыт өткен сайын барлық осы көрініс жылдамдық пен солдан онға қарай ығысады.
Сонда, уақыт аралығы өткен сон, толқын түрі сол суретте түсті сызықпен кескінделгендей болады.
Біз толқын ұзындығы, толқынның тербелісінің жиілігі және амплитудасы деп нелердін аталатының еске түсірдік. Толқынның толқын ұзындығы, тербеліс жиілігі және таралу жылдамдығы арасындағы манызды қатынасты жаздық: барлық осы түсініктер механикалық және электромагниттік толқындар үшін ортақ болып табылады.
II Негізгі бөлім:
Электромагниттік толқындар
Механикалық толқындар зат бөлшектерінің арасындағы өзара әрекеттесудін арқасында пайда болады. Электромагниттік өрістің толқындарының қалай пайда болатындығын қарастырайық.
Электромагниттік өзара әрекеттесулер қалай таралада? Табиғаттың іргелі заңдары, бұлардын санатына Максвелл тапқан электромагнитизм заңдары кіреді, мына жағынан алғанда тамаша: бұл зандар фактілерге сүйену арқылы табылса да, сол фактілерден гөрі, бізге анағұрлым көп бере алады.
Электромагниттік өрістің Максвелл ашқан зандармен қортындылатын сансыз көп қызық және маңызды салдардың ішінде біреуі ерекше назар аудараралық. Бұл – электромагниттік өзара әрекеттесудін таралу жылдамдығының шектілігі туралы қорытынды.
Алыстан әсер ету теориясы бойынша, электір зарядына әсер етуші Кулон күші, көрші зарядты орынынан қозғаса – ақ, бірден өзгереді.
әсер лезде беріледі. Алыстан әсер ету тұрғысынан басқаша болу мүнкін емес: өйткені зарядтың біреуі екіншісінін бар екенін тікелей бостық арқылы «сезеді».
Осылайша зарядтың орын ауыстыруы электромагниттік өрісте «шарпу» туғызады да, ол әрі қарай таралып, барған сайын маңайындағы кеңістіктін үлкен аймақтарына жайылып, жолшыбай заряд орын ауыстырғанға дейінгі болған өрісті қайта жайғастырады. Ақырында бұл «шарпу» екінші зарядқа барып жетеді де, осыдан оған әсер етуші күш өзгереді. Бірақ бұл бірінші зарядтың ығысуы болған уақыт мезетінде болмайды. Электромагниттік ұйытқу таралу процесі (оның мханизмін Максвелл ашқан) шекті, бірақ ерен зор жылдамдықпен жүреді. Өрістің осы іргелі қасиеті оны, ақырында, сезінетін шындыққа айналдырады.
Осы процестің таралу жылдамдығы вакуумдегі жарық жылдамдығына тең екенін Максвелл математикалық жолмен көрсетті.
Электромагниттік толқын. Енді электір заряды бір нүктеден екіншіге орын ауыстырып қана қоймай, бір түзудің бойымен шапшаң тербеліс жасайды деп ойлайықшы. Заряд серіппеге ілулі жүк сияқты қозғалып, айтарлықтай үлкен жиілікпен тербеледі. Сонда зарядтың тура жанындағы электір өрісі периодпен өзгере бастайды. Бұл өзгерістің периоды, әлбетте, зарядтың тербеліс периодына тең. Айнымалы электір өрісі периодпен өзгеретін магнит өрісін туғызады, ал магнит өрісі болса, енді зарядтан үлкен ара қашықтықта айнымалы электір өрісін туғызатын болады.
Зарядты қоршаған кеністікте, бір – біріне перпендикуляр болып, периодпен өзгеретін электір және магнит өрісінің жүйесі пайда болады да, барған сайын үлкен аймақтарды қамтып жайылады. Сондай өрістер жүйесінің «қолма – қол түсірілген» суреті кескінделген.
Осылайша, тербелуші зарядтан жан – жаққа жөңкіп тарайтын, электромагниттік толқын дегеніміз түзіледі.
Алайда, көрсетілген электромагниттік толқын, су бетіндегі толқын сиақты, бірер ортаның ұйытқуын тудырады деп түсінбеу керек. Суретте әйтеуір бір масштабпен және векторларының OZ осінде жатқан әр түрлі кеңістік нүктелеріндегі берілген уақыт мезетіндегі мәндері кескінделген. Су бетінде пайда болатын механикалық толқындар жағдайындағыдай, мұнда ортаның ешбір жалы немесе сайы деген болмайды.
Кеңістіктің әр нүктесінде электр және магнит өрістері уақыт бойынша периодты өзгереді. Неғұрлым нүкте заряттан алысырақ тұрса, өрістердің тербелістері оған соғұрлым кешірек жетеді. Олай болса, зарядтан әр түрлі қашықтықтағы тербелістер әр түрлі фазамен жасалады.
және векторларының кез келген нүктедегі тербелістері фаза жөнінен дәлме – дәл келеді. Тербелістер бірдей фазамен өтетін ең жақын екі нүктенің ара қашықтығы – толқын ұзындығы болады. Берілген уақыт мезетінде және векторларының мәндерікеністікте периодты түрде периодпен өзгереді.
Электір өрісі кернеулігінің тербелуші векторлары мен магнит өрісі индукциасының бағыттары толқынның таралу бағытына перпендикуляр. Электромагниттік толқын көлденең толқын болып табылады.
Сонымен, электромагниттік толқындағы және векторлары бір – біріне перпендикуляр және олар толқынның таралу бағытына перпендикуляр. Егер бұрандасы оңқай бұрғыны вектордан векторға қарай бұрғылап айналдырса, онда бұрғының ілгері қарай орын ауыстыруы толқын жылдамдығының векторымен дәл келеді (65 – суретті қара).
Электромагниттік толқындардың шығарылуы. Электромагниттік толқындарды тербелуші зарядтар шығарып таратады. Ондай зарядтардың қозғалыс жылдамдығы уақыт бойынша өзгеретін, яғни олардың үдей қозғалатындығы елеулі мәселе. Үдеудің болуы – электромагниттік толқындардың туындалуының басты шарты. Электромагниттік өріс зарядтың тербелістері кезінде ғана елеулі түрде шығып қоймайды, оның жылдамдығының кез келген тез өзгерістерінің бәрінде шығады. Неғұрлым заряд қозғалысының үдеуі үлкен болса, соғұрлым шыққан толқынның интенсифтігі үлкен болады.
Мұны көрнекі түрде көз алдымызға былай елестету керек. Зарятталған бөлшек тұрақты жылдамдықпен қозғалғанда, оның тудырған электір және магнит өрістері, желбіреп тұрған шлейфке ұқсас, бөлшекті қоршап тұрады. Бөлшек үдей қозғалғанда электромагниттік өріске тән инерттілік байқалады. Өріс бөлшектен «босап шығып» электромагниттік толқындар түрінде өз бетімен өмір сүре бастайды.
Толқынның электромагниттік өріс энергиясы берілген уақыт мезетінде және векторларының өзгеруімен кеңістікте периодты түрде өзгереді. Жүгірме толқын өзімен энергия тасымалдайды, толқынның таралу бағыты боймен с жылдамдықпен орын ауыстырады. Сол себепті электромагниттік толқын энергиясы кеңістіктің кез келген аймағында уақыт бойынша периодты өзгеріп отырады.
Электромагниттік толқындардың бар екендігінің ақиқаттығына Максвелл аса қатты сенген еді. Бірақ олардың эксперимент жүзінде байқалғанын ол көре алмай кетті. Ол қайтыс болған соң 10 жыл өткенде ғана электромагниттік толқындарды Герц эксперимент жүзінде шығарып алды.
Электромагниттік толқындар айнымалы электр өрісінің айнымалы магнит өрісін тудыруының арқасында пайда болады. Осы айнымалы магнит өрісі өз кезегінде айнымалы электр өрісін тудырады........