Разместить заказ
Вы будете перенаправлены на Автор24

Отличие электромагнитных волн от звуковых волн

Все предметы / Физика / Отличие электромагнитных волн от звуковых волн

Основные характеристики звуковых волн

Определение 1

Акустическими (или волнами звука) называют упругие волны, которые распространяются в пространстве определенного частотного диапазона: 𝛎=16 – 20 000 Гц. Волны этого частотного диапазона способны оказывать действие на слуховой аппарат человека и вызывать у него ощущение звука.

Звуковые волны относят к механическим колебаниям с малыми амплитудами (это слабые возмущения).

Замечание 1

Волны с частотами менее 16 Гц называют инфразвуковыми, при 𝛎>20000Гц волны являются ультразвуковыми. Инфразвук и ультразвук человек не слышит.

Звуковые волны в газообразных и жидких веществах могут быть только продольными, поскольку эти вещества имеют свойство упругости только в отношении деформации сжатия и растяжения. В твердом теле акустические волны могут быть и продольными, и поперечными, так как твердое тело может быть подвержено еще и деформации сдвига.

Чувствительность уха человека разная для разных частот. Для создания у человека ощущения звука акустическая волна должна иметь некоторую минимальную интенсивность. В случае превышения определенного предела интенсивности человек звук не слышит, волна может вызывать только болевые ощущения.

Скорость распространения акустических волн в газовых средах может быть найдена в соответствии с выражением:

$v=\sqrt{\frac{\gamma{}RT}{\mu{}}}\left(1\right)$, где:

  • $R$ – газовая постоянная;
  • $\mu{}$ – молярная масса газа;
  • $\gamma{}=\frac{C_p}{C_V}$.

Формула (1) говорит нам о том, что скорость звука в газовых средах не зависит от давления, но увеличивается с ростом температуры. Чем больше молярная масса газа, тем меньше скорость распространения волн звука.

Рассматривая распространение акустических волн в атмосфере, следует принимать во внимание множество параметров:

  • скорость и направление ветра;
  • влажность;
  • состав воздуха;
  • явления преломления и отражения звука на границах раздела сред;
  • вязкость газа, в котором распространяется звуковая волна.

Готовые работы на аналогичную тему

Уравнение механических волн

Акустические волны, как и любые другие упругие волны, появляются из-за наличия связей, которые имеются между частицами вещества, в котором они распространяются. При этом отклонение (перемещение) одной частицы от положения равновесия ведет к смещению соседствующих с ней других частиц. Данный процесс происходит в пространстве с некоторой ограниченной скоростью.

Уравнение волны отображает функциональную связь между смещением частицы, совершающей колебания, и ее координатой в равновесии и временем.

Рассмотрим звуковую волну, которая распространяется по оси $X$ без затухания. Тогда мы должны получить функцию:

$s=f(x,t)$.

Если в волне нет затухания, то амплитуды всех точек одинаковы. Пусть источник волны совершает колебания по закону:

$s=s_m\cos{\left(\omega{}t\right)\left(2\right),}$

где $s_m$ – амплитуда колебаний.

Колебания точки с координатой $x$ в этой волне будет описывать уравнение:

$s=s_m\cos{\left(\omega{}(t-\frac{x}{v}\right)\left(2\right),}$

где $v$ - скорость распространения волны. Выражение (2) – уравнение плоской звуковой волны.

Волновое уравнение для звуковой волны в одномерном случае:

$\frac{d^2s}{dx^2}=\frac{1}{v^2}\frac{d^2s}{dt^2}\left(3\right).$

Выражение (2) является одним из решений волнового уравнения (3). Если изменение физического параметра отвечает уравнению (3), то эта величина распространяется как волна со скоростью $v$.

Электромагнитные волны

Переменное электрическое поле порождает изменяющееся магнитное поле и наоборот, это ведет к распространению единого электромагнитного поля в пространстве, которое называют электромагнитной волной.

Определение 2

Электромагнитной волной называют изменяющееся электромагнитное поле, которое распространяется в пространстве.

Электромагнитные волны описывают при помощи уравнений для векторов напряженности электрического и магнитного полей.

Допустим, что мы имеем дело с плоской электромагнитной волной, распространяющейся по оси $X$, тогда волновые уравнение можно записать в виде:

$\frac{{\partial{}}^2E}{\partial{}x^2}={\epsilon{}}_r{\epsilon{}}_0{\mu{}}_r{\mu{}}_0\frac{{\partial{}}^2E}{\partial{}t^2}$ (4.1)

$\frac{{\partial{}}^2H}{\partial{}x^2}-\frac{1}{v^2}\frac{{\partial{}}^2H}{\partial{}t^2}=0$ (4.2).

Решением уравнения (4.1) служит функция (5),

$E=E_m\cos{\omega{}\left(t-\frac{x}{v}\right)\left(5\right).}$

Решением уравнения (4.2) служит (6).

$H=H_m\cos{\omega{}\left(t-\frac{x}{v}\right)\left(6\right).}$

Из волнового уравнения (4) можно сделать вывод о том, что электромагнитная волна в веществе распространяется со скоростью, равной:

$v=\frac{1}{\sqrt{{\epsilon{}}_r{\epsilon{}}_0{\mu{}}_r{\mu{}}_0}}\left(7\right).$

Выражение (7) показывает нам, что скорость движения электромагнитной волны зависит только от вида вещества, в котором волна перемещается и не зависит от состояния этого вещества (давления, температуры и т.д.).

Электромагнитные волны являются поперечными волнами. Колебания векторов $E ⃗,H ⃗$ происходят во взаимно перпендикулярных плоскостях. Мало того, три вектора, $E ⃗,H ⃗,v ⃗$ образуют правовинтовую систему, что означает: Если смотреть из конца вектора скорости на вращение, по кратчайшему расстоянию, от вектора напряженности электрического поля к вектору напряженности магнитного поля, то это вращение будет происходить против часовой стрелки.

Сравнение акустических и электромагнитных волн

  1. По своей природе звуковые волны являются механическим волнами. Электромагнитные волны – порождение переменных магнитного и электрического полей.
  2. По месту распространения: акустическая волна способна распространяться только в веществе, которое имеет свойство упругости. Электромагнитная волна может распространяться и в веществе, и в вакууме.
  3. Скорость распространения звуковых волн зависит от состояния среды (см формулу 1). В частности, скорость распространения акустических волн зависит от температуры газа и не зависит от давления. Электромагнитная волна распространяется со скоростью, не зависящей от состояния вещества. В вакууме электромагнитные волы распространяются со скоростью света.
  4. Звуковые волны определённой интенсивности способны воздействовать на слуховой аппарат человека и могу быть им услышаны. Электромагнитные волны нуждаются в специальной детекции. Их наличие или отсутствие человек не может обнаружить при помощи органов чувств.

Общим у звуковых и электромагнитных волн является то что:

  • Эти процессы являются волновыми, следовательно, описываются волновыми уравнениями одинаковой формы (3,4).
  • Эти волны распространяются в пространстве с конечной скоростью.
  • В естественных условиях эти волновые процессы являются затухающими, для их длительного существования необходимы источники энергии.
Сообщество экспертов Автор24

Автор этой статьи

Автор статьи

Сергей Сергеевич Соев

Эксперт по предмету «Физика»

Статья предоставлена специалистами сервиса Автор24
Автор24 - это сообщество учителей и преподавателей, к которым можно обратиться за помощью с выполнением учебных работ.
как работает сервис