Ученики на Учителя.com


Методическая разработка "Производство, передача и потребление электрической энергии"

ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
СРЕДНЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
НОВОСИБИРСКОЙ ОБЛАСТИ
«КУПИНСКИЙ МЕДИЦИНСКИЙ ТЕХНИКУМ»
МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА
ТЕОРЕТИЧЕСКОГО ЗАНЯТИЯ
По дисциплине: «ФИЗИКА»
Тема: «Производство, передача и потребление электрической
энергии»
Специальность: 060501 Сестринское дело
базовый уровень среднего профессионального образования Курс: 1
Купино
2014 учебный год
Рассмотрена на заседании
Цикловой комиссии
Протокол № _____
от «_____» _________20____г.
Председатель: _____________
Автор – составитель: преподаватель дисциплины «Физика» Тюменцева О.Н.
Купино
2014 г
Пояснительная записка
к методической разработке для дисциплины «Физика» по теме
«Производство, передача и потребление электрической энергии».
В программе для данной темы отведено 2 часа.
Методическое пособие разработано для преподавателя с целью выявления и
систематизации знаний студентов по данной теме.
Основными задачами является закрепление и углубление теоретических
знаний у студентов по данной теме.
Методическое пособие составлено в соответствии с требованиями
Государственного образовательного стандарта для использования на
теоретических занятиях в рамках специальности 060501 Сестринское дело
профильный уровень среднего профессионального образования.
После изучения данной темы студент должен:
- Знать и понимать смысл:
физических величин: скорость, длина волны.
Методическая разработка состоит из «Содержания занятия» (приложение
№1), «Вопросов для фронтального опроса» (приложение №2), «Материала
для закрепления знаний, которыми должен обладать студент» (приложение
№ 3,4).
УЧЕБНО – МЕТОДИЧЕСКИЙ ПЛАН ЗАНЯТИЯ
Тема занятия: «Производство, передача и потребление электрической
энергии»
Вид занятия: теоретическое занятие
Место проведения: лекционная аудитория
Продолжительность проведения занятия 90 минут
Цели занятия:
1. Образовательная: После изучения темы студент должен знать: понятие
физических величин: скорость, длина волны.
2. Воспитательная: Формирование сознательного отношения к процессу
обучения, стремления к самостоятельной работе и всестороннему овладению
специальностью.
3. Развивающая: Развитие интереса к учебному предмету, содействие
активизации мышления обучающихся. Развить познавательную деятельность
обучающихся, по овладению программным учебным материалом, по
дисциплине «Физика».
Требования ГОС к уровню подготовки студента студент должен:
- Знать и понимать смысл:
физических величин: скорость, длина волны.
Междисциплинарная интеграция:
Внутридисциплинарная интеграция:
Материально-техническое обеспечение занятия:
Методическое обеспечение занятия: задачи, тесты
Домашнее задание:
Тема: Производство, передача и потребление электрической энергии
работа над учебным материалом Г.Я.Мякишев «Физика11»§ 37-47, стр.111-
139
Физика
Математика
Физическая
культура
Основы
сестринского
дела
Безопасность
жизнедеятель-
ности и
медицина
катастроф
Производство,
передача и
потребление
электрической
энергии
Колебания и волны
Электродинамика
Приложение №1
СОДЕРЖАНИЕ ЗАНЯТИЯ
Звуковые волны. Электрическая энергия обладает неоспоримыми
преимуществами перед всеми другими видами энергии. Ее можно передавать
по проводам на огромные расстояния со сравнительно малыми потерями и
удобно распределять между потребителями. Главное же в том, что эту
энергию с помощью достаточно простых устройств легко превратить в
любые другие формы: механическую, внутреннюю (нагревание тел), энергию
света и т. д.
Переменный ток в отличие от постоянного имеет то преимущество, что
напряжение и силу тока можно в очень широких пределах преобразовывать
(трансформировать) почти без потерь энергии. Такие преобразования
необходимы во многих электро- и радиотехнических устройствах. Но
особенно необходима трансформация напряжения и тока при передаче
электроэнергии на большие расстояния. Электрический ток вырабатывается в
генераторах — устройствах, преобразующих энергию того или иного вида в
электрическую энергию. К генераторам относятся гальванические элементы,
электростатические машины, термобатареи (В термобатареях используется
свойство двух контактов разнородных материалов создавать ЭДС за счет
разности температур контактов.), солнечные батареи и т. п. Исследуются
возможности создания принципиально новых типов генераторов.
Например, разрабатываются так называемые топливные элементы, в
которых энергия, освобождающаяся в результате реакции водорода с
кислородом, непосредственно прекращается в электрическую.
Область применения каждого из перечисленных типов генераторов
электроэнергии определяется их характеристиками. Так, электростатические
машины создают высокую разность потенциалов, но не способны создать в
цепи сколько-нибудь значительную силу тока. Гальванические элементы
могут дать большой ток, но продолжительность их действия невелика.
Основную роль в наше время выполняют электромеханические
индукционные генераторы переменного тока. В этих генераторах
механическая энергия превращается в электрическую. Их действие основано
на явлении электромагнитной индукции. Такие генераторы имеют
сравнительно простое устройство и позволяют получать большие токи при
достаточно высоком напряжении.
В дальнейшем, говоря о генераторах, мы будем иметь в виду именно
индукционные электромеханические генераторы.
Генератор переменного тока. В настоящее время имеется много различных
типов индукционных генераторов. Но все они состоят
из одних и тех же основных частей. Это, во-первых,
электромагнит или постоянный магнит, создающий
магнитное поле, и, во-вторых, обмотка, в которой
индуцируется переменная ЭДС (в рассмотренной
модели генератора это вращающаяся рамка). Так как
ЭДС, наводимые в последовательно соединенных
витках, складываются, то амплитуда ЭДС индукции в рамке
пропорциональна числу ее витков. Она пропорциональна также амплитуде
переменного магнитного потока
(Ф
m
= BS) через каждый виток
(см. § 31).
Для получения большого
магнитного потока в генераторах
применяют специальную
магнитную систему, состоящую из двух сердечников, изготовленных из
электротехнической стали. Обмотки, создающие магнитное поле, размещены
в пазах одного из сердечников, а обмотки, в которых индуцируется ЭДС, — в
пазах другого. Один из сердечников (обычно внутренний) вместе с обмоткой
вращается вокруг горизонтальной или вертикальной оси. Поэтому он
называется ротором. Неподвижный сердечник с обмоткой называют
статором. Зазор между сердечниками статора и ротора делают как можно
меньшим для увеличения потока вектора магнитной индукции.
В изображенной на рисунке 5.1 модели генератора вращается проволочная
рамка, которая является ротором (но без железного сердечника). Магнитное
поле создает неподвижный постоянный магнит. Разумеется, можно было бы
поступить и наоборот: вращать магнит, а рамку оставить неподвижной.
В больших промышленных генераторах вращается именно электромагнит,
являющийся ротором, а обмотки, в которых наводится ЭДС, уложены в пазах
статора и остаются неподвижными. Дело в том, что подводить ток к ротору
или отводить его из обмотки ротора во внешнюю цепь приходится при
помощи скользящих контактов. Для этого ротор снабжается контактными
кольцами, присоединенными к концам его обмотки (рис. 5.2). Неподвижные
пластины — щетки — прижаты к кольцам и осуществляют связь обмотки
ротора с внешней цепью. Сила тока в обмотках электромагнита, создающего
магнитное поле, значительно меньше силы тока, отдаваемого генератором во
внешнюю цепь. Поэтому генерируемый ток удобнее снимать с неподвижных
обмоток, а через скользящие контакты подводить сравнительно слабый ток к
вращающемуся электромагниту. Этот ток вырабатывается отдельным
генератором постоянного тока (возбудителем), расположенным па том же
валу. В маломощных генераторах магнитное поле создается вращающимся
постоянным магнитом. В таком случае кольца и щетки вообще не нужны.
Появление ЭДС в неподвижных обмотках статора объясняется
возникновением в них вихревого
электрического поля, порожденного изменением магнитного потока при
вращении ротора. Современный генератор электрического тока — это
внушительное сооружение из медных проводов, изоляционных материалов и
стальных конструкций. При размерах в несколько метров важнейшие детали
генераторов изготовляются с точностью до миллиметра. Нигде в природе нет
такого сочетания движущихся частей, которые могли бы порождать
электрическую энергию столь же непрерывно и экономично.
Трансформаторы. Электрический ток никогда не получил бы такого
широкого применения, если бы его нельзя было преобразовывать почти без
потерь энергии.
Назначение трансформаторов. ЭДС мощных генераторов электростанций
довольно велика. Между тем в практике чаще всего нужно не слишком
высокое напряжение.
Преобразование переменного тока, при котором напряжение увеличивается
или уменьшается в несколько раз практически без потери мощности,
осуществляется с помощью трансформаторов.
Впервые трансформаторы были использованы в 1878 г. русским ученым
П.Н.Яблочковым для питания изобретенных им электрических свечей —
нового в то время источника света.
Устройство трансформатора. Трансформатор состоит
из замкнутого стального сердечника, собранного из
пластин, на который надеты две (иногда и более)
катушки с проволочными обмотками (рис. 5.3). Одна из
обмоток, называемая первичной, подключается к
источнику переменного напряжения. Другая обмотка, к которой
присоединяют нагрузку, т. е. приборы и устройства, потребляющие
электроэнергию, называется вторичной. Условное обозначение
трансформатора приведено на рисунке 5.4.
Трансформатор на холостом ходу. Действие
трансформатора основано на явлении
электромагнитной индукции. При прохождении
переменного тока по первичной обмотке в сердечнике
появляется переменный магнитный поток, которым возбуждается ЭДС
индукции в витках каждой обмотки. Сердечник из трансформаторной стали
концентрирует магнитное поле, так что магнитный поток существует
практически только внутри сердечника и одинаков во всех его сечениях.
Мгновенное значение ЭДС индукции е во всех витках первичной или
вторичной обмотки одинаково. Согласно закону Фарадея оно определяется
формулой е = -Ф', (5.1), где Ф' — производная потока
магнитной индукции по времени.
В первичной обмотке, имеющей N
1
витков, полная ЭДС индукции e
1
равна
N
1
e. Во вторичной обмотке полная ЭДС индукции e
2
равна N
2
e(N
2
— число
витков этой обмотки). Отсюда следует,
что
Обычно активное сопротивление обмоток трансформатора мало, и им можно
пренебречь. В этом случае модуль напряжения на зажимах первичной
обмотки примерно равен модулю суммарной ЭДС индукции:
При разомкнутой вторичной обмотке трансформатора ток в ней не идет, и
имеет место соотношение
Мгновенные значения ЭДС e
1
и e
2
изменяются синфазно (одновременно
достигают максимума и одновременно проходят через ноль). Поэтому их
отношение в формуле (5.2) можно заменить отношением действующих
значений
1
этих ЭДС или, учитывая равенства (5.3) и (5.4), отношением
действующих значений напряжений U
1
и
U
2
:
Величина К называется коэффициентом трансформации. Он равен
отношению напряжений в первичной и вторичной обмотках трансформатора.
При К > 1 трансформатор является понижающим, а при К < 1 —
повышающим.
Работа нагруженного трансформатора. Если к концам вторичной обмотки
присоединить цепь, потребляющую электроэнергию, или, как говорят,
нагрузить трансформатор, то сила тока во вторичной обмотке уже не будет
равна нулю. Появившийся ток создаст в сердечнике свой переменный
магнитный поток, который будет уменьшать изменения магнитного потока в
сердечнике.
Уменьшение амплитуды колебаний результирующего магнитного потока,
казалось бы должно, в свою очередь, уменьшить ЭДС индукции в первичной
обмотке. Это, однако, не произойдет, так как согласно формуле (5.3)
. Поэтому при замыкании цепи вторичной обмотки автоматически
увеличится сила тока в первичной обмотке. Его амплитуда возрастет таким
образом, что восстановится прежнее значение амплитуды колебаний
результирующего магнитного потока.
Увеличение силы тока в цепи первичной обмотки происходит в соответствии
с законом сохранения энергии: отдача электроэнергии в цепь,
присоединенную к вторичной обмотке трансформатора, сопровождается
потреблением от сети такой же энергии первичной обмоткой. Мощность в
первичной цепи при нагрузке трансформатора, близкой к номинальной,
примерно равна мощности во вторичной цепи:
Это означает, что, повышая с помощью трансформатора напряжение в
несколько раз, мы во столько же раз уменьшаем силу тока (и наоборот).
Трансформатор преобразует переменный электрический ток таким образом,
что произведение силы тока на напряжение примерно одинаково в первичной
и вторичной обмотках.
Производство и использование электрической энергии. В наше время
уровень производства и потребления энергии — один из важнейших
показателей развития производственных сил общества. Ведущую роль при
этом играет электроэнергия — самая универсальная и удобная для
использования форма энергии. Если потребление энергии в мире
увеличивается в 2 раза примерно за 25 лет, то увеличение потребления
электроэнергии в 2 раза происходит в среднем за 10 лет. Это означает, что
все больше и больше процессов, связанных с расходованием энергоресурсов,
переводится на электроэнергию.
Производство электроэнергии. Производится электроэнергия на больших и
малых электрических станциях в основном с помощью электромеханических
индукционных генераторов. Существует два основных типа электростанций:
тепловые и гидроэлектрические. Различаются эти электростанции
двигателями, вращающими роторы генераторов.
На тепловых электростанциях источником энергии является топливо: уголь,
газ, нефть, мазут, горючие сланцы. Роторы электрических генераторов
приводятся во вращение паровыми и газовыми турбинами или двигателями
внутреннего сгорания. Наиболее экономичны крупные тепловые
паротурбинные электростанции (сокращенно: ТЭС). Большинство ТЭС
нашей страны использует в качестве топлива угольную пыль. Для выработки
1 кВт • ч электроэнергии затрачивается несколько сот граммов угля. В
паровом котле свыше 90% выделяемой топливом энергии передается пару. В
турбине кинетическая энергия струй пара передается ротору. Вал турбины
жестко соединен с валом генератора. Паровые турбогенераторы весьма
быстроходны: число оборотов ротора составляет несколько тысяч в минуту.
Из курса физики 10 класса известно, что КПД тепловых двигателей
увеличивается с повышением температуры нагревателя и соответственно
начальной температуры рабочего тела (пара, газа). Поэтому поступающий в
турбину пар доводят до высоких параметров: температуру — почти до 550 °С
и давление — до 25 МПа. Коэффициент полезного действия ТЭС достигает
40%. Большая часть энергии теряется вместе с горячим отработанным паром.
Превращения энергии показаны на схеме, приведенной на рисунке 5.5.
Тепловые электростанции — так называемые теплоэлектроцентрали (ТЭЦ)
— позволяют значительную часть энергии отработанного пара использовать
на промышленных предприятиях и для бытовых нужд (для отопления и
горячего водоснабжения). В результате КПД ТЭЦ достигает 60—70%. В
настоящее время в России ТЭЦ дают около 40% всей электроэнергии и
снабжают электроэнергией и теплом сотни городов. На
гидроэлектростанциях (ГЭС) для вращения роторов генераторов
используется потенциальная энергия воды. Роторы электрических
генераторов приводятся во вращение гидравлическими турбинами.
Мощность такой станции зависит от создаваемой плотиной разности уровней
воды (напор) и от массы воды, проходящей через турбину в каждую секунду
(расход воды). Превращения энергии показаны на схеме, приведенной на
рисунке 5.6. Гидроэлектростанции дают около 20% всей вырабатываемой в
нашей стране электроэнергии.
Значительную роль в энергетике играют атомные электростанции (АЭС). В
настоящее время АЭС в России дают около 10% электроэнергии.
Использование электроэнергии. Главным потребителем электроэнергии
является промышленность, на долю которой приходится около 70%
производимой электроэнергии. Крупным потребителем является также
транспорт. Все большее количество железнодорожных линий переводится на
электрическую тягу. Почти все деревни и села получают электроэнергию от
электростанций для производственных и бытовых нужд. О применении
электроэнергии для освещения жилищ и в бытовых электроприборах знает
каждый.
Большая часть используемой электроэнергии сейчас превращается в
механическую энергию. Почти все механизмы в промышленности
приводятся в движение электрическими двигателями. Они удобны,
компактны, допускают возможность автоматизации производства.
Около трети электроэнергии, потребляемой промышленностью, используется
для технологических целей (электросварка, электрический нагрев и
плавление металлов, электролиз и т. п.).
Современная цивилизация немыслима без широкого использования
электроэнергии. Нарушение снабжения электроэнергией большого города
при аварии парализует его жизнь.
Передача электроэнергии. Потребители электроэнергии имеются повсюду.
Производится же она в сравнительно немногих местах, близких к источникам
топливо- и гидроресурсов. Электроэнергию не удается консервировать в
болыпих масштабах. Она должна быть потреблена сразу же после получения.
Поэтому возникает необходимость в передаче электроэнергии на большие
расстояния.
Передача электроэнергии связана с заметными потерями, так как
электрический ток нагревает провода линий электропередачи. В
соответствии с законом Джоуля — Ленца энергия, расходуемая на нагрев
проводов линии, определяется формулой,
где R — сопротивление линии, U — передаваемое
напряжение,
Р — мощность источника тока. При очень большой длине линии передача
энергии может стать экономически невыгодной. Значительно снизить
сопротивление линии R практически весьма трудно. Поэтому приходится
уменьшать силу тока I. Так как мощность источника тока Р равна
произведению силы тока I на напряжение U, то для уменьшения
передаваемой мощности нужно повысить передаваемое напряжение в линии
передачи.
Поэтому на крупных электростанциях устанавливают повышающие
трансформаторы. Трансформатор увеличивает напряжение в линии во
столько же раз, во сколько раз уменьшает силу тока.
Чем длиннее линия передачи, тем выгоднее использовать более высокое
напряжение. Так, в высоковольтной линии передачи Волжская ГЭС —
Москва и некоторых других используют напряжение 500 кВ. Между тем
генераторы переменного тока настраивают на напряжения, не превышающие
16—20 кВ. Более высокое напряжение потребовало бы принятия сложных
специальных мер для и полиции обмоток и других частей генераторов.
Для непосредственного использования электроэнергии в двигателях
электропривода станков, в осветительной сети и для других целей
напряжение на концах линии нужно
понизить. Это достигается с
помощью понижающих
трансформаторов. Общая схема
передачи энергии и ее
распределения показана на рисунке
5.7.
Обычно понижение напряжения и
соответственно увеличение силы
тока осуществляются в несколько этапов. На каждом этапе напряжение
становится все меньше, а территория, охватываемая электрической сетью, —
все шире.
При очень высоком напряжении между проводами может начаться разряд,
приводящий к потерям энергии. Допустимая амплитуда переменного
напряжения должна быть такой, чтобы при заданной площади поперечного
сечения провода потери энергии вследствие разряда были незначительными.
Электрические станции ряда районов страны объединены высоковольтными
линиями электропередачи, образуя общую электрическую сеть, к которой
подключены потребители. Такое объединение, называемое энергосистемой,
дает возможность сгладить пиковые нагрузки потребления энергии в
утренние и вечерние часы. Энергосистема обеспечивает бесперебойность
подачи энергии потребителям вне зависимости от места их расположения.
Сейчас почти вся территория нашей страны обеспечивается электроэнергией
объединенными энергетическими системами. Действует Единая
энергетическая система европейской части страны. Передача электроэнергии
на большие расстояния с малыми потерями — сложная задача.
Использование электрического тока высокого напряжения помогает успешно
разрешить ее.
Эффективное использование электроэнергии. Потребность в
электроэнергии постоянно увеличивается как в промышленности, на
транспорте, в научных учреждениях, так и в быту. Удовлетворить эту
потребность можно двумя основными способами.
Самый естественный и единственный на первый взгляд способ —
строительство новых мощных электростанций: тепловых, гидравлических и
атомных. Однако строительство новой крупной электростанции требует
нескольких лет и больших затрат. Важно и то, что тепловые электростанции
потребляют не возобновляемые природные ресурсы: уголь, нефть и газ.
Одновременно они наносят большой ущерб экологическому равновесию на
нашей планете.
Передовые технологии позволяют удовлетворить потребности в
электроэнергии другим способом.
Возможности для более эффективного использования электроэнергии
имеются, и немалые. Одна из них связана с освещением, на которое
расходуется около 25% всей производимой электроэнергии. В настоящее
время в США и других странах используются компактные люминесцентные
лампы, которые потребляют на 80% меньше электроэнергии, чем лампы
накаливания. Стоимость таких ламп значительно превышает стоимость
обычных, но окупаются они быстро. Наряду с этим и самые простые меры по
экономному применению освещения в домах и производственных
помещениях способны дать немалый эффект. Не надо оставлять напрасно
включенными лампы, необходимо позаботиться о том, чтобы освещались
лишь рабочие участки и т. д.
Имеется и множество других возможностей повышения эффективности
использования электроэнергии в быту: в холодильных установках,
телевизорах, компьютерах и т. д. Съэкомленные средства можно
использовать для разработки устройств, преобразующих солнечную энергию
в электрическую. Большие надежды возлагаются сейчас на получение
энергии с помощью управляемых термоядерных реакций. Такие устройства
не будут представлять столь большой опасности, как обычные атомные
электростанции.
Приоритет должен быть отдан увеличению эффективности использования
электроэнергии, а не повышению мощности электростанций. Кроме этого
необходимо разрабатывать новые устройства для получения энергии.
Волновые явления. Каждый из нас наблюдал, как от камня, брошенного на
спокойную поверхность пруда или озера, кругами разбегаются волны (рис.
6.1). Многие следили за морскими волнами, набегающими на берег. Все
читали рассказы о морских путешествиях, о чудовищной силе морских волн,
легко раскачивающих большие корабли. Однако при наблюдении этих
явлений не всем известно, что звук всплеска воды доносится до нашего уха
волнами в том воздухе, которым мы дышим, что свет, с помощью которого
мы зрительно воспринимаем окружающее, тоже представляет собой
волновое движение. Волновые процессы чрезвычайно широко
распространены в природе. Различны физические причины, вызывающие
волновые движения. Но, подобно колебаниям, все виды волн описываются
количественно одинаковыми или почти одинаковыми законами. Многие
трудные для понимания вопросы становятся более ясными, если сравнивать
различные волновые явления.
Что же называют волной? Почему возникают волны? Отдельные частицы
любого тела - твердого, жидкого или газообразного — взаимодействуют друг
с другом. Поэтому если какая-либо частица тела начинает совершать
колебательные движения, то в результате взаимодействия между частицами
это движение начинает с некоторой скоростью распространяться во все
стороны.
Волна — это колебания, распространяющиеся в пространстве с течением
времени.
В воздухе, твердых телах и внутри жидкостей механические волны
возникают благодаря действию сил упругости. Эти силы осуществляют связь
между отдельными частями тела. Образование волн на поверхности воды
вызывают сила тяжести и сила поверхностного натяжения.
Наиболее отчетливо главные особенности волнового движения можно
увидеть, если рассматривать волны на поверхности воды. Это могут быть,
например, волны, которые представляют собой бегущие вперед округлые
валы. Расстояния между валами, или гребнями, примерно одинаковы. Однако
если на поверхности воды, по которой бежит волна, находится легкий
предмет, например лист с дерева, то он не будет увлекаться вперед волной, а
начнет совершать колебания вверх и вниз, оставаясь почти на одном месте.
При возбуждении волны происходит процесс распространения колебаний, но
не перенос вещества. Возникшие в каком-то месте колебания воды, например
от брошенного камня, передаются соседним участкам и постепенно
распространяются во все стороны, вовлекая в колебательные движения все
новые и новые частицы среды. Течение же воды не возникает, перемещаются
лишь локальные формы ее поверхности. Скорость волны. Важнейшей
характеристикой волны является скорость ее распространения. Волны любой
природы не распространяются в пространстве мгновенно. Их скорость
конечна. Можно себе, например, представить, что над морем летит чайка,
причем так, что она все время оказывается над одним и тем же гребнем
волны. Скорость волны в этом случае равна скорости чайки. Волны на
поверхности воды удобны для наблюдения, так как скорость их
распространения сравнительно невелика.
Поперечные и продольные волны. Нетрудно также наблюдать волны,
распространяющиеся вдоль резинового шнура. Если один конец шнура
закрепить и, слегка натянув шнур рукой, привести другой его конец в
колебательное движение, то по шнуру побежит волна (рис. 6.2).
Скорость волны будет тем больше, чем сильнее натянут
шнур. Волна добежит до точки закрепления шнура,
отразится и побежит назад. В этом опыте при
распространении волны происходят изменения формы шнура. Каждый
участок шнура
колеблется
относительно своего
неизменного
положения
равновесия. Обратим
внимание на то, что
при распространении волны вдоль шнура колебания совершаются в
направлении, перпендикулярном направлению распространения волны.
Такие волны называются поперечными (рис. 6.3). В поперечной волне
смещения отдельных участков среды происходят в направлении,
перпендикулярном направлению распространения волны. При этом
возникает упругая деформация, называемая деформацией сдвига. Отдельные
слои вещества сдвигаются относительно друг друга. При деформации сдвига
в твердом теле возникают силы упругости, стремящиеся вернуть тело в
исходное состояние. Именно силы упругости и вызывают колебания частиц
среды (Когда мы говорим о колебаниях частиц среды, то имеем в виду
колебания малых объемов среды, а не колебания молекул.).
Сдвиг слоев относительно друг друга в газах и жидкостях не приводит к
появлению сил упругости. Поэтому в газах и жидкостях не могут
существовать поперечные волны. Поперечные волны возникают в твердых
телах.
Но колебания частиц среды могут происходить и вдоль направления
распространения волны (рис.
6.4). Такая волна называется
продольной. Продольную
волну удобно наблюдать на
длинной мягкой пружине
большого диаметра. Ударив ладонью по одному из концов пружины (рис. 6.5,
а), можно заметить, как сжатие (упругий импульс) бежит по пружине. С
помощью серии последовательных ударов можно возбудить в пружине
волну, представляющую собой последовательные сжатия и растяжения
пружины, бегущие друг за другом (рис. 6.5, б). Итак, в продольной волне
происходит деформация сжатия. Силы упругости, связанные с этой
деформацией, возникают как в твердых телах, так и в жидкостях и газах. Эти
силы вызывают колебания отдельных участков среды. Поэтому продольные
волны могут распространяться во всех упругих средах. В твердых телах
скорость продольных волн больше скорости поперечных. Это учитывается
при определении расстояния от очага землетрясения до сейсмической
станции. Вначале на станции регистрируется продольная волна, так как ее
скорость в земной коре больше, чем поперечной. Спустя некоторое время
регистрируется поперечная волна, возбуждаемая при землетрясении
одновременно с продольной. Зная скорости продольных и поперечных волн в
земной коре и время запаздывания поперечной волны, можно определить
расстояние до очага землетрясения.
Энергия волны. При распространении механической волны движение
передается от одних частиц среды к другим. С передачей движения связана
передача энергии. Основное свойство всех волн независимо от их природы
состоит в переносе ими энергии без переноса вещества. Энергия поступает от
источника, возбуждающего колебания начала шнура, струны и т. д., и
распространяется вместе с волной. Через любое поперечное сечение,
например шнура, передается энергия. Эта энергия слагается из кинетической
энергии движения частиц среды и потенциальной энергии их упругой
деформации. Постепенное уменьшение амплитуды колебаний частиц при
распространении волны связано с превращением части механической
энергии во внутреннюю.
Волна — это колебания, распространяющиеся в пространстве с течением
времени. Скорость волны конечна. Волна переносит энергию, но не
переносит вещество среды.
Распространение механических волн. (Сначала рассмотрим волну, которая
распространяется, например, вдоль резинового шнура (см. рис. 6.2).
Каждый участок шнура обладает массой и упругостью. При деформации
шнура в любом его сечении появляются силы упругости. Эти силы стремятся
возвратить шнур в исходное положение. За счет инертности участок
колеблющегося шнура не останавливается в положении равновесия, а
проходит его, продолжая двигаться до тех пор, пока силы упругости не
остановят этот участок. Это будет в момент максимального отклонения от
положения равновесия.
Вместо шнура возьмем теперь цепочку одинаковых металлических шаров,
подвешенных на нитях. Шары связаны между собой пружинками (рис. 6.6).
Масса пружинок много меньше массы шаров. В этой модели инертные и
упругие свойства
разделены: масса сосредоточена в основном в шарах, а упругость — в
пружинках. Это разделение несущественно при рассмотрении волнового
движения.
Если отклонить левый крайний шар в горизонтальной плоскости
перпендикулярно всей цепочке шаров, то прикрепленная к нему пружинка
будет деформирована, и на 2-й шар начнет действовать сила, заставляя его
отклоняться в ту же сторону, куда отклонен 1-й шар. Вследствие инертности
движение 2-го шара не будет происходить синхронно с 1-м. Его движение,
повторяющее движение 1-го шара, будет запаздывать по времени.
Если 1-й шар заставить колебаться с периодом Т (рукой или с помощью
какого-либо механизма), то 2-й шар тоже придет в колебательное движение
вслед за 1-м, причем с той же частотой, но с некоторым отставанием по фазе.
Шар 3-й под действием силы упругости, вызванной смещением 2-го шара,
тоже начнет колебаться, еще более отставая по фазе от первого, и т. д.
Наконец, все шары станут совершать вынужденные колебания с одной и той
же частотой, но с различными фазами. При этом вдоль цепочки шаров
побежит поперечная волна. Распространение продольных и поперечных волн
можно проанализировать с помощью модели, состоящей из цепочки шаров,
связанных пружинками.
Длина волны. Скорость волны. Рассмотрим физические характеристики
волны — длину волны и скорость.
Длина волны — это расстояние, на которое распространяется волна за
время, равное одному периоду колебаний. Так как период Т и частота v
связаны соотношением
При распространении волны вдоль шнура мы наблюдаем два вида
периодичности.
Во-первых, каждая частица шнура совершает периодические колебания во
времени. В случае гармонических колебаний (эти колебания происходят по
закону синуса или косинуса) частота и амплитуда колебаний частиц
одинаковы во всех точках шнура. Эти колебания различаются только фазами.
Во-вторых, в каждый момент времени форма волны (т. е. профиль шнура)
повторяется на протяжении шнура через отрезки длиной . На рисунке 6.9
черной линией показан профиль шнура в определенный момент времени t
(мгновенный снимок волны). С течением времени этот профиль
перемещается. Спустя промежуток времени t волна будет иметь вид,
изображенный на том же рисунке синей линией.
Для продольной волны также справедлива формула (6.2), связывающая
скорость распространения
волны, длину волны и частоту
колебаний. Все волны
распространяются с конечной
скоростью. Длина волны зависит от скорости ее распространения и частоты
колебаний.
Уравнение гармонической бегущей волны. Выведем уравнение волны,
которое позволит определить смещение каждой точки среды в любой момент
времени при распространении гармонической волны.
Сделаем это на примере волны, бегущей по длинному тонкому резиновому
шнуру.
Ось ОХ направим вдоль шнура, а начало отсчета свяжем с левым концом
шнура. Смещение колеблющейся точки шнура от положения равновесия
обозначим буквой s. Для описания волнового процесса нужно знать
смещение каждой точки шнура в любой момент времени. Следовательно,
надо знать вид функции S = s(x, t).
Заставим конец шнура (точка с координатой х = 0) совершать гармонические
колебания с циклической частотой (0. Колебания этой точки будут
происходить по закону: s = sm sin t, (6.3)
если начальную фазу колебаний считать равной нулю. Здесь, s
m
— амплитуда
колебаний (рис. 6.10, а). Колебания распространяются вдоль шнура (оси ОХ)
со скоростью и в произвольную точку шнура с координатой пройдут
спустя время
Эта точка также начнет совершать гармонические колебания с частотой , но
с запаздыванием на время (рис. 6.10, б). Если пренебречь затуханием
волны по мере ее распространения, то колебания в точке х будут
происходить с той же амплитудой s
m
, но с другой фазой:
Это и есть уравнение гармонической бегущей волны, распространяющейся
в положительном направлении оси Ох. Используя уравнение (6.5) можно
определить смещение различных точек шнура в любой момент времени.
Распространение волн в упругих средах. На резиновом шнуре, по струне
или в тонком стержне волны могут распространяться только по одному
направлению — вдоль шнура, струны или стержня. Если же газ, жидкость
или твердое тело сплошь заполняют некоторую область пространства
(сплошная среда), то возникшие в одном месте колебания распространяются
по всем направлениям.
Волна при распространении от какого-либо источника в сплошной среде
постепенно захватывает все более обширные области пространства.
Это хорошо видно на рисунке 6.1, на котором изображены круговые волны
на поверхности воды от брошенного камня. Энергия, которую несут с собой
волны, с течением времени распределяется по все большей и большей
поверхности. Поэтому энергия, переносимая через поверхность единичной
площади за одну секунду, уменьшается по мере удаления от источника волн.
Следовательно, уменьшается и амплитуда колебаний частиц среды по мере
удаления от источника. Ведь энергия колеблющегося тела пропорциональна
квадрату амплитуды его колебаний. Это справедливо для колебаний не
только груза на пружине или какого-нибудь другого маятника, но и для
любой частицы среды.
Таким образом, амплитуда волны в среде по мере удаления волны от
источника обязательно уменьшается, даже если механическая энергия не
превращается во внутреннюю за счет действий в среде сил трения.
Плоская волна. Волновая поверхность и луч. Исключение составляет так
называемая плоская волна. Такую волну можно получить, если поместить в
упругую среду большую пластину и заставить ее колебаться в направлении
нормали к пластине. Все точки среды, примыкающие к пластине с одной
стороны, будут совершать колебания с одинаковыми амплитудами и фазами.
Эти колебания будут распространяться в виде волн в направлении нормали к
пластине, причем все частицы среды, лежащие в плоскости, параллельной
пластине, будут колебаться в одной фазе. Поверхность равной фазы
называется волновой поверхностью. В случае плоской волны волновые
поверхности представляют co6oй плоскости (рис. 6.11). Так как все точки,
принадлежащие одной волновой поверхности, колеблются одинаково, то
уравнение плоской бегущей волны будет иметь вид где
S — смещение всех точек волновой поверхности в данный момент времени, а
ось X совпадает с направлением распространения волны и, соответственно,
перпендикулярна волновой поверхности.
Волна может считаться плоской лишь приближенно (на краях волновые
поверхности искривляются).
Линия, нормальная к волновой поверхности, называется лучом. Под,
направлением распространения волн понимают направление именно лучей.
.Лучи для плоских волн представляют собой параллельные прямые (см. рис.
6.11). Вдоль лучей происходит перенос энергии. При
распространении плоской волны размеры волновых
поверхностей по мере удаления от пластины не меняются (или почти не
меняются). Поэтому энергия волны не рассеивается в пространстве и
амплитуда колебаний частиц среды уменьшается только за счет действия сил
трения.
На поверхности воды легко получить линейные волны, которые дают
наглядное представление о плоских волнах в пространстве. Для этого
нужно стержень, слегка касающийся поверхности воды, заставить
колебаться в направлении, перпендикулярном поверхности воды. Все
частицы воды, находящиеся на прямой, параллельной
стержню, будут колебаться в одинаковой фазе (рис. 6.12).
Фронтом волны называется геометрическое место точек,
до которых дошли возмущения в данный момент времени.
Фронт волны отделяет часть пространства, в которой
возникли колебания, от той части пространства, в которой
колебаний нет. Волновых поверхностей существует сколь
угодно много, фронт волны один. Очевидно, что фронт волны — волновая
поверхность, на которой фаза колебаний равна нулю.
Сферическая волна. Другой пример волны в сплошной среде — это
сферическая полна. Она возникает, если поместить в среду пульсирующую
сферу (рис. 6.13). В этом случае волновые поверхности являются сферами.
Лучи направлены вдоль продолжений радиусов пульсирующей сферы.
Амплитуда колебаний частиц в сферической волне обязательно убывает по
мере удаления от источника. Энергия, излучаемая источником, в этом случае
равномерно распределяется по поверхности сферы, радиус которой
непрерывно увеличивается по мере распространения волны.
По форме фронта волны и волновых поверхностей проводится
классификация волн. Мы ввели понятия плоской и сферической волн.
Звуковые волны. Волны на поверхности воды или на резиновом шнуре
можно непосредственно увидеть. В прозрачной среде — воздухе или
жидкости — волны невидимы. Но при определенных условиях их, зато
можно слышать.
Возбуждение звуковых волн. Если длинную стальную линейку зажать в
тисках или плотно прижать к краю стола, то, отклонив конец линейки от
положения равновесия, мы возбудим ее колебания (рис. 6.14, а). Но эти
колебания не будут восприниматься нашим ухом. Если, однако, укоротить
выступающий конец линейки (рис. 6.14, б), то мы обнаружим, что линейка
начнет звучать. Дело здесь вот в чем.
Пластина в ходе колебаний вдоль нормали к ней сжимает
прилегающий к одной из ее сторон слой воздуха и
одновременно создает разрежение с другой стороны. Эти
сжатия и разрежения чередуются во времени и
распространяются в обе стороны в виде упругих
продольных волн. Одна из них достигает нашего уха и
вызывает вблизи него периодические колебания давления,
которые воздействуют на слуховой аппарат. Ухо человека
воспринимает в виде звука колебания, частота которых
лежит в пределах от 17 до 20 000 Гц. Такие колебания
называются акустическими. Акустика — это учение о звуке. Чем короче
выступающий конец линейки, тем больше частота его колебаний. Поэтому
мы и начинаем слышать звук, когда выступающий конец стальной линейки
становится достаточно коротким. Любое тело (твердое, жидкое или
газообразное), колеблющееся со звуковой частотой, создает в окружающей
среде звуковую волну.
Звуковые волны в различных средах. Чаще всего звуковые волны
достигают наших ушей по воздуху. Довольно редко мы оказываемся
погруженными целиком, вместе с ушами, в воду. Но, конечно, воздух не
имеет каких-либо особых преимуществ по сравнению с другими средами в
смысле возможности распространения в нем звуковых волн. Звук
распространяется в воде и твердых телах. Нырнув с головой, но время
купания, вы можете услышать звук, например, от удара двух камней,
производимого в воде на большом расстоянии (рис. 6.15). Хорошо проводит
звук земля. Русский историк Н. М. Карамзин сообщает, что Дмитрий
Донской перед Куликовской битвой, приложив ухо к земле, услышал топот
копыт конницы противника, когда она еще не была видна. Если поднести
вплотную к уху конец длинной деревянной линейки и слегка постучать по
другому ее концу ручкой, то будет отчетливо слышен звук. Отодвинув же
линейку немного от уха, вы обнаружите, что звук почти перестает быть
слышимым.
В вакууме звуковые волны распространяться не могут. Для доказательства
этого можно, например, электрический звонок поместить под колокол
воздушного насоса (рис. 6.16). По мере того как давление воздуха под
колоколом уменьшается, звук будет ослабевать до тех пор, пока не
прекратится совсем.
Плохо проводят звук такие материалы, как войлок, пористые панели,
прессованная пробка и т. д. Эти материалы используют для звукоизоляции, т.
е. для защиты помещений от проникновения в них посторонних звуков.
Значение звука. Для того чтобы мы могли уверенно ориентироваться в мире,
наш мозг должен получать информацию о том, что происходит вокруг нас.
Зрение и слух играют в этом главную роль. Осязание, обоняние и вкусовые
ощущения менее существенны. Конечно, наибольшее количество
информации мы получаем с помощью света. Испущенный источниками
(солнцем, лампой и т. д.) свет отражается от окружающих предметов и,
попадая в глаз, позволяет нам судить об их положении и движении. Многие
предметы светятся сами.
Отраженные от предметов звуковые волны или волны,
испускаемые звучащими предметами, также дают нам
сведения об окружающем мире. Но главное — это
речь. Мы создаем и воспринимаем звуковые волны и
тем самым общаемся друг с другом.
Прослушивая с помощью специальных устройств, например медицинского
фонендоскопа, звуки в организме, можно получать важные сведения о работе
сердца и других внутренних органов.
Скорость звука. Звуковые волны, подобно всем другим волнам,
распространяются с конечной скоростью. Обнаружить это можно так. Свет
распространяется с огромной скоростью — 300 000 км/с. Поэтому вспышка
от выстрела почти мгновенно достигает глаз. Звук же выстрела приходит с
заметным запаздыванием. То же самое можно заметить, наблюдая с
большого расстояния игру в футбол. Вы видите удар по мячу, а звук от удара
приходит спустя некоторое время. Все, вероятно, замечали, что вспышка
молнии предшествует раскату грома. Если гроза далеко, то время
запаздывания грома достигает нескольких десятков секунд. Наконец, из-за
конечной скорости звука появляется эхо. Эхо — это звуковая волна,
отраженная от опушки леса, крутого берега, здания и т. д.
Скорость звука в воздухе при 0 °С равна 331 м/с. Это довольно большая
скорость. Лишь совсем недавно самолеты начали летать со скоростями,
превышающими скорость звука.
Скорость звука в воздухе не зависит от его плотности. Она примерно равна
средней скорости теплового движения молекул и, подобно ей,
пропорциональна корню квадратному из абсолютной температуры. Чем
больше масса молекул газа, тем меньше скорость звука в нем. Так, при 0 °С
скорость звука в водороде 1270 м/с, а в углекислом газе 258 м/с.
В жидкости скорость звука больше, чем в газе. Впервые скорость звука в
воде была измерена в 1827 г. на Женевском озере в Швейцарии. На одной
лодке поджигали порох и одновременно ударяли в подводный колокол (рис.
6.17, а). Другая лодка находилась на расстоянии 14 км от первой. Звук
колокола улавливался с помощью рупора, опущенного в воду (рис. 6.17, б).
По разности времени между вспышкой света и приходом звукового сигнала
определили скорость звука. При температуре 8 °С скорость звука в воде
равна 1435 м/с.
В твердых телах скорость звука еще больше, чем в жидкостях. Например, в
стали скорость звука при 15 °С равна 4980 м/с. То, что скорость звука в
твердом теле больше, чем в воздухе, можно обнаружить так. Если ваш
помощник ударит по одному концу рельса, а вы приложите ухо к другому
концу, то будут слышны два удара. Сначала звук достигает уха по рельсам, а
затем по воздуху.
По известной частоте колебаний и скорости звука в воздухе можно
вычислить длину звуковой волны (см. § 44). Самые длинные волны,
воспринимаемые ухом человека, имеют длину волны 19 м, а самые
короткие — длину волны 17 мм.
Колебания со звуковой частотой (17—20 000 Гц) создают в окружающей
среде звуковую волну, скорость которой зависит от свойств среды и
температуры.
Приложение №2
1. Какими преимуществами обладает переменный ток по сравнению с
постоянным
2. На каком принципе основана работа генераторов переменного тока
3. Что такое коэффициент трансформации
4. Что понижает или повышает трансформатор
5. Приведите примеры машин и механизмов, в которых совершенно не
использовался бы электрический ток
6. Находились ли вы возле генератора электрического тока на расстоянии,
не превышающем 100 м
7. Чего лишились бы жители большого города при аварии электрической
сети
8. Как осуществляется передача электроэнергии на большие расстояния
9. В чем преимущества передачи энергии на большие расстояния при
использовании постоянного тока
10.Какие волны называются поперечными, а какие продольными
11.Может ли в воде распространяться поперечная волна
12.На какое расстояние распространяется волна за время t = Т/4 (см. рис.
6.7)
13.Что определяет амплитуду колебаний шаров в рассмотренной модели
14.Что называют длиной волны
15.Как связаны скорость волны и длина волны
16.Какую волну называют плоской? Сферической
17.Почему в газах и жидкостях не существует поперечных волн
18.Какие колебания называют акустическими
19.От чего зависит скорость звука в воздухе
Скачать материал

Физика - еще материалы к урокам: