Физика Лекции и примеры Механические и электромагнитные колебания Амплитуда и фаза вынужденных колебаний Переменный ток Резонанс напряжений Мощность, выделяемая в цепи переменного тока Упругие волны Волновые процессы

Физика Лекции и примеры решения задач контрольной работы

Принцип суперпозиции. Групповая скорость

Если среда, в которой распространяется одновременно несколько волн, линейна, т. е. ее свойства не изменяются под действием возмущений, создаваемых волной, то к ним применим принцип суперпозиции (наложения) волн: при распространении в линейной среде нескольких волн каждая из них распространяется так, как будто другие волны отсутствуют, а результирующее смещение частицы среды в любой момент времени равно геометрической сумме смещений, которые получают частицы, участвуя в каждом из слагающих волновых процессов.

Исходя из принципа суперпозиции и разложения Фурье (см. (144.5)) любая волна может быть представлена в виде суммы гармонических волн, т. е. в виде волнового пакета, или группы волн. Волновым пакетом называется суперпозиция волн, мало отличающихся друг от друга по частоте, занимающая в каждый момент времени ограниченную область пространства.

«Сконструируем» простейший волновой пакет из двух распространяющихся вдоль положительного направления оси х гармонических волн с одинаковыми амплитудами, близкими частотами и волновыми числами, причем dw <<w и dk<<k. Тогда

Эта волна отличается от гармонической тем, что ее амплитуда

есть медленно изменяющаяся функция координаты х и времени t.

За скорость распространения этой негармонической волны (волнового пакета) принимают скорость перемещения максимума амплитуды волны, рассматривая тем самым максимум в качестве центра волнового пакета. При условии, что tdw —xdk = const, получим

  (155.1)

Скорость и есть групповая скорость. Ее можно определить как скорость движения группы волн, образующих в каждый момент времени локализованный в пространстве волновой пакет. Выражение (155.1) получено для волнового пакета из двух составляющих, однако можно доказать, что оно справедливо в самом общем случае.

Рассмотрим связь между групповой  (см. (155.1)) и фазовой v=w /k (см. (154.8)) скоростями. Учитывая, что k=2p/l (см. (154.3)), получим

или

  (155.2)

Из формулы (155.2) вытекает, что u может быть как меньше, так и больше v в зависимости от знака dv/dl. В недиспергирующей среде dv/dl=0 и групповая скорость совпадает с фазовой.

Понятие групповой скорости очень важно, так как именно она фигурирует при измерении дальности в радиолокации, в системах управления космическими объектами и т. д. В теории относительности доказывается, что групповая скорость u<<с, в то время как для фазовой скорости ограничений не существует.

115. Конькобежец, стоя на коньках на льду, бросает камень массой m = 2,5 кг под углом α=30° к горизонту со скоростью V1 = 10м/с. Какова будет начальная ско­рость V2 движения конькобежца, если масса его M = 60 кг? Перемещением конькобежца во время бро­ска пренебречь.

m = 2.5кг

M = 60кг

V1 = 10 м/с

α = 30º

Для определения скорости V2 воспользуемся законом сохранения импульса: , где - импульс шайбы,  - человека после броска.

Проектируем вектора импульсов на ось x и получаем:

На ось X: . Откуда искомая скорость . Подставляем числа (переводя одновременно все величины в систему СИ).

 .


Элементы физики твердого тела