Z tego filmu dowiesz się:

  • czym jest fala i jakie ma właściwości,
  • jakie wielkości opisują fale,
  • jaki jest związek między drganiami a falami.

Podstawa programowa

Pobieranie materiałów

wideo ekran podsumowujący napisy

Licencja: cc-by-nc-sa.svg

Poniższe materiały są udostępnione na licencji Creative Commons Uznanie autorstwa-Użycie niekomercyjne-Na tych samych warunkach 4.0 Międzynarodowej (https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/deed.pl). Możesz je wykorzystywać wyłącznie jako całość, bez rozdzielania ich na indywidualne elementy składowe. Zabronione jest wycinanie, pobieranie, modyfikowanie, edytowanie i zmienianie elementów składowych (np. grafik, tekstów, dźwięków, logotypów). Licencja CC BY-NC-SA 4.0 nie obejmuje wykorzystywania elementów składowych w utworach pochodnych. Jeśli chcesz wykorzystać ten materiał w swoim niekomercyjnym projekcie, nie zapomnij wymienić jego autorów: Pi-stacja / Katalyst Education.

Transkrypcja

Kliknij na zdanie, aby przewinąć wideo do tego miejsca.

Kiedy podczas meczu piłki nożnej emocje kipią na trybunach często przyjmują one postać fali która może okrążyć cały stadion. Pierwszy raz taki doping zafundowała publiczność podczas Mistrzostw Świata w Piłce Nożnej w Meksyku w 1986 roku. Ale rekord w długości trwania takiej fali padł nie podczas meczu piłkarskiego a podczas koncertu. Najdłuższa meksykańska fala 17 minut i 14 sekund falowała na koncercie zespołu Tube i ich fanów na stadionie Hanshin Koshien w Nishinomiya w Japonii 23 września 2015 roku. W koncercie wzięło udział 2115 osób. Meksykańska fala pomoże nam w zrozumieniu fizycznych zagadnień dotyczących właśnie fal. Ruch każdego pojedynczego kibica podczas takiego dopingu to ruch drgający podobny do ruchu ciężarka na sprężynie. Ma on swoją amplitudę, okres trwania i częstotliwość. Złożenie ruchu drgającego wielu kibiców w którym każdy kolejny zaczyna swój cykl o chwilę później niż poprzedni tworzy na stadionie efekt meksykańskiej fali. Zwróć uwagę na jeszcze jedną rzecz. Choć żaden z kibiców nie opuszcza swojego miejsca to fala i jej pozytywna energia przemieszczają się. Podobny do kibiców na stadionie ruch wykonują cząsteczki na powierzchni falującej wody. Nie jest on jednak spowodowany emocjami a na przykład tym że z kranu kapie ona do miski. Przyjrzyjmy mu się bliżej. Woda unosi się i opada. Możemy więc zmierzyć odległość od grzbietu takiej fali do jej najniższego punktu czyli dołka. Wartość ta to w naszym przypadku 0,5 centymetra. Jednak pamiętajmy, że amplituda to odchylenie od położenia równowagi. W przypadku wody położenie równowagi to stan, w którym ona nie faluje. Jej lustro jest gładkie jak stół. Amplituda naszej fali to więc 0,25 centymetra. Zmierzmy teraz czas pełnego drgania jakiegoś punktu na powierzchni wody. Pomoże nam w tym wykres zależności położenia od czasu. Przygotowujemy nasz stoper i mierzymy czas między dwoma najniższymi położeniami. Czas trwania pełnego drgania to około 1,5 sekundy czyli taki jest okres naszej fali. A jaka jest jej częstotliwość? Częstotliwość fali obliczamy tak samo jak częstotliwość w ruchu drgającym. F równa się 1 przez T Czyli 1 przez 1,5, czyli 0,67 herca co oznacza, że w ciągu sekundy nasza cząsteczka na powierzchni wody wykonuje 0,67 setnych drgania. Te parametry znasz już z lekcji o ruchu drgającym. Teraz powiem Ci o dwóch innych wartościach stosowanych do opisu fal. To długość fali i jej prędkość. Długość fali to po prostu długość którą możemy zmierzyć zwykłą linijką jeśli fala jest wystarczająco długa. Możemy to zrobić przykładając naszą miarkę i mierząc odległość dwóch sąsiednich najniższych albo najwyższych położeń punktów na powierzchni wody. Czyli na przykład mierząc odległość od szczytu do szczytu fali. Nasza fala ma około 2,7 centymetra. Długość fali na stadionie ma zwykle od 6 do 12 metrów czyli 10 do 20 krzesełek. A co z prędkością? Możemy ją obliczyć obserwując ruch jednego ze szczytów fali. Co mamy obserwować? Drogę jaką przebywa ten szczyt w jakimś mierzonym przez nas czasie. W pewnym momencie włączamy stoper i wyłączamy go, gdy szczyt przebędzie drogę na przykład trzech centymetrów. Szczyt fali pokonał nasz dystans w 1,76 sekundy. Ponieważ szczyt fali porusza się ruchem jednostajnym a prędkość w tym ruchu obliczamy ze wzoru: v równa się s przez t Prędkość fali to 3 centymetry przez 1,76 sekundy czyli 1,7 centymetra na sekundę. Pamiętaj! Fala na stadionie porusza się choć żaden kibic nie opuszcza swojego miejsca. Fala na wodzie przemieszcza się w prawo ale gdy umieścimy łódkę na jej powierzchni to będzie ona poruszać się tylko w górę i w dół natomiast nigdzie sobie nie odpłynie. Zobacz, łódka porusza się w górę i w dół ale fala porusza się w kierunku poziomym. Z tego wynika, że łódka porusza się w poprzek drogi fali. Takie fale nazywamy poprzecznymi. Ale nie wszystkie fale są poprzeczne. Weźmy tłum ludzi czekających przed wejściem na koncert. Jeśli w tym tłumie ktoś się przewróci lub mocno popchnie osoby przed sobą to one wpadną na kolejne a te jeszcze na kolejne. Choć każda z tych osób już po chwili odzyska równowagę czyli wróci do swojego wyjściowego położenia to jednak zakłócenie przejdzie falą przez cały tłum. W miejscu przejścia fali ludzie zbijają się ze sobą bardziej bo wpadają na siebie. A tuż za falą powstanie luźniejszy obszar bo stojący tu wcześniej ludzie są w tym momencie wytrąceni z równowagi i prawie leżą na plecach sąsiadów. Zauważ, że fala rozejdzie się w tłumie ale ruch ludzi po popchnięciu czyli ich wahanie w przód i w tył będzie miał kierunek zgodny z kierunkiem rozchodzenia się fali. W podobny sposób rozchodzą się fale dźwiękowe. Kiedy membrana głośnika drgnie popycha ona cząsteczki powietrza przed sobą. Odbijają się one od siebie popychając następne. W wyniku tego powstaje fala podobna do tej w tłumie. Jeśli membrana będzie drgać cały czas to zobaczymy, że powstaną fale inne jednak, niż te na powierzchni wody czy w meksykańskiej fali na stadionie. Tu fala składa się z naprzemiennych obszarów o mniejszym i większym zagęszczeniu Spójrz na ruch pojedynczej cząsteczki. Porusza się ona tak a fala rozchodzi się tak. Cząsteczka porusza się więc zgodnie z kierunkiem rozchodzenia się fali czyli wzdłuż drogi, jaką ona pokonuje. Taką falę nazywamy podłużną. Zastanów się, jakim typem fali jest fala na stadionie? Tak, fala na stadionie to fala poprzeczna. A jaka fala powstanie kiedy uderzymy w koniec długiej sprężyny? Tak, w tym przypadku powstanie fala podłużna. Wiemy już, że fala nie przenosi materii. Przenosi jednak energię. Kiedy wywołamy falę, na przykład wrzucając kamień do wody rozchodzi się ona bo kolejne cząsteczki wody są wprawiane w ruch, a ruch jak wiemy wiąże się z energią kinetyczną. Cząsteczki wody podnoszą się też i opadają co z kolei wiąże się ze zmianami energii potencjalnej. O zmianach energii w ruchu drgającym powiemy sobie w innym filmie. Tu jednak możemy bez cienia wątpliwości powiedzieć, że ruch ten wiąże się z energią i że ta energia rozchodzi się za pośrednictwem fal. Fale mogą przybierać różne kształty w zależności od ośrodka w jakim się rozchodzą. Fale na wodzie zwykle rozchodzą się tworząc okręgi. Ale gdybyśmy do wytworzenia takiej fali użyli długiego prostego przedmiotu na przykład linijki to grzbiet takiej fali będzie linią prostą. Jeśli fala rozchodzi się w trójwymiarowym ośrodku tak, jak dźwięk w powietrzu to nie ogranicza się do płaszczyzny a rozchodzi się sferycznie. Takie fale nazywamy kulistymi. Co ciekawe, woda także jest ośrodkiem 3D. I choć na lekcjach fizyki w szkole podstawowej mówi się właściwie tylko o falach poprzecznych powstałych na jej powierzchni to fale podłużne, takie jak dźwięk roznoszą się w całej objętości wody. Omówione przez nas dotychczas fale to po prostu rozchodzące się zaburzenia lub zniekształcenia ośrodka. Takie fale nazywamy mechanicznymi. Pewnie zapytasz czy są inne? Tak. Są fale, którym do rozchodzenia się nie jest potrzebny żaden ośrodek. To fale elektromagnetyczne. Mogą się one rozchodzić nawet w próżni. Ale o nich mamy oddzielny film. Teraz zadanie dla Ciebie. Spójrz na rysunek fali i odczytaj z niego amplitudę i długość fali. Już? To teraz oblicz prędkość jej rozchodzenia się jeśli wiesz że szczyt fali pokonał odległość pięciu centymetrów w czasie dwóch i pół sekundy. Ja otrzymałam prędkość dwóch centymetrów na sekundę. Jeśli wyszło Ci tak samo to gratulacje. Falą mechaniczną nazywamy rozchodzące się zaburzenie ośrodka, na przykład wody lub powietrza. Fale mogą rozchodzić się na duże odległości nie przenoszą materii ale przenoszą energię. Każda fala ma długość, okres częstotliwość, amplitudę i prędkość. Ze względu na kierunek drgań cząsteczek ośrodka fale dzielimy na podłużne i poprzeczne. Wiesz już jak rozchodzą się fale. A żeby wiedza ta także mogła się rozejść jak fale koniecznie udostępnij nasz film. I do usłyszenia.

Lista wszystkich autorów

Lektor: Dobrawa Szlachcikowska

Konsultacja: Anna Soliwocka

Materiały: Dobrawa Szlachcikowska

Kontrola jakości: Małgorzata Załoga

Napisy: Klaudia Abdeltawab

Doświadczenia: Anna Soliwocka

Animacja: Patrycja Ostrowska

Opracowanie dźwięku: Aleksander Margasiński

Produkcja:

Katalyst Education

Lista materiałów wykorzystanych w filmie:

Pressmaster (Licencja Pexels)
Yam2002 (CC BY-SA)
Florian K (CC BY-SA 3.0)
Deniz Bostanov (Licencja Pexels)
Tom Fisk (Licencja Pexels)
Freepik (Licencja Flaticon)
Freepik (Licencja Flaticon)
Freepik (Licencja Flaticon)
SoylentGreen (CC BY-SA 3.0)
Ibrahim S. Souki (CC BY-SA 4.0)
Study Animated (Licencja Creative Commons)
Luiz-Jorge-Artista (Licencja Pixabay)
Kelly Lacy (Licencja Pexels)
norbertodominguez (Licencja Pixabay)
padrinan (Licencja Pixabay)
Jay Miller (CC BY 3.0)
mohamed_hassan (Licencja Pixabay)
Taryn Elliott (Licencja Pexels)
Freepik (Licencja Flaticon)
Dobrzejest (Domena publiczna)
Jacques_Barrette (Licencja Pixabay)

Licencja:

Creative Commons Uznanie autorstwa-Użycie niekomercyjne-Na tych samych warunkach 4.0 Międzynarodowej

cc-by-nc-sa.svg