Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика
§ 39. Перенос энергии волнами
жүктеу/скачать 6,71 Mb. Pdf көрінісі
|
| § 39. Перенос энергии волнами. Распространение механиче-
ской волны, представляющее собой последовательную передачу д в и ж е н и я от одного участка среды к другому, означает тем самым передачу э н е р г и и. Эту энергию доставляет источник волны, когда он приводит в движение непосредственно приле- гающий к нему слой среды. От этого слоя энергия передается следующему слою и т. д. Таким образом, распространение волны создает в среде п о т о к э н е р г и и, расходящийся от источ- ника. Представление о потоке энергии, переносимой волнами, впервые ввел в 1874 г. русский физик Николай Алексеевич Умов (1846–1915). Он получил и формулу, позволяющую вычислить интенсивность волны. При встрече волны с различного рода телами переносимая ею энергия может произвести работу или превратиться в другие виды энергии. Яркий пример такого переноса энергии без переноса вещества дают нам взрывные волны. На расстояниях во много десятков метров от места разрыва бомбы, куда не долетают ни осколки, ни поток горячего воздуха, взрывная волна выбивает стекла, ломает стены и т. п., т. е. производит большую механическую работу. Но энергия переносится, конечно, и самыми слабыми
Гл. IV. Волновые явления 105
волнами; например, летящий комар излучает звуковую волну («комариный писк»), мощность которой, т. е. энергия, излучаемая в 1 с, составляет около 10 − 10 Вт. Если размеры источника достаточно малы и энергия от него распространяется во все стороны равномерно, то источник можно рассматривать как точечный 1 ), а расходящаяся от него волна Рис. 80. При увеличении ра- диуса вдвое площадь поверх- ности возрастает вчетверо будет сферической. В этом слу- чае энергия, излучаемая источни- ком, равномерно распределяется по всей поверхности волновой сфе- ры. Нетрудно видеть, что энер- гия, приходящаяся на единицу по- верхности этой сферы, будет тем меньше, чем больше радиус сфе- ры. Площадь сферы или любого вырезанного в ней конусом участ- ка (рис. 80) растет пропорциональ- но квадрату радиуса, т. е. при уве- личении расстояния от источника вдвое площадь увеличивается вчет- веро, и на каждую единицу поверх- ности сферы приходится вчетверо меньшая энергия волны. Энергию, переносимую волной через сечение, площадь ко- торого равна 1 м 2 , за время, равное 1 с, т. е. мощность, пере- носимую через единичное сечение, называют интенсивностью волны. Таким образом, интенсивность сферической волны убы- вает обратно пропорционально квадрату расстояния от ис- точника. Указанная выше мощность звука летящего комара на рассто- янии 2 м от него распределяется по сферической поверхности, площадь которой равна 4π · 2 2
2 , т. е. интенсивность звука составляет на таком расстоянии около 10 − 12 Вт/м 2 . Эта ничтож- ная величина близка к п о р о г у с л ы ш и м о с т и и дает пред- ставление о чрезвычайно высокой чувствительности нашего уха. Если ограничить возможность расхождения волны в сторо- ны, то и убывание интенсивности уменьшится. Так, например, звуковая волна, распространяющаяся в т р у б е, не расходит- ся в стороны и поэтому на длинном пути сохраняет большую 1 ) Более подробно условия, при которых источник можно считать точечным, мы рассмотрим на примере источников света (§ 69). 106 Гл. IV. Волновые явления интенсивность. На этом основано применение переговорных труб, которые и теперь еще зачастую можно видеть на неболь- ших кораблях, где они служат для связи капитанского мостика с машинным отделением, с кабиной рулевого и т. п. (рис. 81). Для увеличения громкости звука на больших расстояниях иногда применяются рупоры (рис. 82). Следует, однако, иметь в виду, что вне рупора расхождение волны в стороны уже не ограничено и причина усиления звука здесь иная: рупор концен- трирует энергию волны в некотором телесном угле, т. е. создает н а п р а в л е н н о е и з л у ч е н и е (§ 42). Но внутри этого те- лесного угла интенсивность убывает обратно пропорционально квадрату расстояния. Интенсивность волны, распространяющейся в цилиндриче- ской трубе, не должна была бы уменьшаться с расстоянием, так как энергия переносится здесь че- рез сечения одинаковой площа- ди. Однако в действительности происходит ослабление, вызван- ное
п о г л о щ е н и е м энергии
волны той средой, в которой она распространяется. В каждой точке Рис. 81. Переговорная труба на корабле Рис. 82. Рупор (мегафон) да- ет направленное излучение на пути волны часть переносимой ею энергии тратится на работу против сил трения (вязкости) в среде и переходит в тепло. Бла- годаря поглощению интенсивность сферической волны убывает фактически еще быстрее, чем обратно пропорционально квадрату Гл. IV. Волновые явления 107
расстояния. При распространении в трубе энергия волны погло- щается, кроме того, и стенками самой трубы. Электромагнитные волны представляют собой передачу из- менений электромагнитного поля. Они, конечно, тоже переносят энергию, но не в форме кинетической и потенциальной энергии частиц среды, а в виде энергии электрического и магнитного полей. Именно в таком виде поступает от Солнца вся энер- гия, за счет которой поддерживается жизнь на Земле. Общая мощность электромагнитных волн, излучаемых Солнцем, вы- ражается числом 4 · 10 23
километров, т. е. на таком удалении от Солнца, на котором находится Земля, интенсивность электромагнитных волн равна 1,4 кВт/м 2 . Эта последняя величина называется солнечной по- стоянной. Из-за отражения от облаков, рассеяния и поглощения в атмосфере до земной поверхности доходит примерно 43 % этой энергии (см. том I, § 308). Если бы Солнце удалилось от нас на расстояние бли- жайшей звезды, т. е. на 4 световых года, то интенсивность его электромагнитного излучения у Земли составила бы всего 2 · 10
− 8 Вт/м 2 . И все же, если бы даже лишь сотая часть этой энергии приходилась на видимый свет, то и тогда интенсивность последнего во много раз превосходила бы порог чувствительно- сти нашего глаза. Интересно отметить, что порог чувствительности глаза при- мерно такой же, как и уха. Глаз способен реагировать на потоки световой энергии около 3 · 10 −
Вт/м 2 . Впрочем, современные радиоприемники могут соперничать по чувствительности с гла- зом: хороший приемник может «услышать» радиостанцию, волны которой имеют в месте приема интенсивность 10 − 14 Вт/м 2 . жүктеу/скачать 6,71 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|