W budowie
Prezentacja modułu

Moduł 14 — Długość fali i prędkość: jak mierzyć i liczyć fale — kurs Ruch drgający i fale (kurs podstawowy)

Moduł 14 kursu Ruch drgający i fale: Długość fali lambda i wzór falowy v = lambda · f. Rozróżnienie wykresu przestrzennego od czasowego oraz zależność prędkości fali wyłącznie od ośrodka.

  • 45 min
  • 19 slajdów
  • Notatki nauczyciela: N
  • Strona modułu: otwórz
Plan · 45 min

Co dziś robimy

  1. 5 min1. Czym jest długość fali ($\lambda$)? W fali poprzecznej: długość fali $\lambda$ to odległość między dwoma sąsiednimi…
  2. 5 min2. Dwa wykresy falowe — najczęstsza pułapka egzaminacyjna! teza, kod i pytanie kontrolne
  3. 5 minRysunek: porównanie wykresu przestrzennego i czasowego teza, kod i pytanie kontrolne
  4. 5 min3. Podstawowy wzór falowy: prędkość fali Drogą przebywaną przez czoło fali w jednym powtórzeniu jest długość fali ($\lambda$) .
  5. 5 min4. Złota tajemnica fizyki fal: prędkość zależy TYLKO od ośrodka! Prędkość fali $v$ pozostaje stała ($v = \text{const}$).
  6. 5 minAnimacja interaktywna: zbadaj związek między $v$, $\lambda$ i $f$ teza, kod i pytanie kontrolne
  7. 5 minPrzykłady obliczeniowe krok po kroku Wypisujemy dane z zadania: • Okres drgań (czas między uderzeniami grzbietów): $T =…
  8. 5 minZadanie transferowe — dźwięk wpada do wody Czy częstotliwość drgań fali w wodzie zmieni się, czy pozostanie równa $500\text{ Hz}$?…
  9. 5 minPodsumowanie bilet wyjściowy i zadanie domowe
Atom 1 z 8 · ~5 min

1. Czym jest długość fali ($\lambda$)?

W module 13 przekonaliśmy się, że fala to zaburzenie wędrujące przez ośrodek, które przenosi energię, podczas gdy cząsteczki kołyszą się w miejscu.

  • W fali poprzecznej: długość fali $\lambda$ to odległość między dwoma sąsiednimi grzbietami (albo dwoma sąsiednimi dolinami).
  • W fali podłużnej: długość fali $\lambda$ to odległość między środkami dwóch sąsiednich zagęszczeń (albo dwóch sąsiednich rozrzedzeń).
  • Definicja ogólna: długość fali to najmniejsza odległość między dwoma punktami ośrodka, które drgają w dokładnie tej samej fazie (czyli w tej samej chwili osiągają ten…
  • Związek z czasem: długość fali $\lambda$ to droga, jaką fala pokonuje w czasie jednego pełnego okresu drgań źródła ($T$) .
Sprawdzenie · atom 1 · ~2 min

Pytanie do klasy

Jak mierzymy długość fali poprzecznej?

Atom 2 z 8 · ~5 min

2. Dwa wykresy falowe — najczęstsza pułapka egzaminacyjna!

Zarówno wykres drgań pojedynczego ciała, jak i wykres fali mają kształt regularnej sinusoidy (falbanki). Bardzo wielu uczniów na klasówkach i egzaminach automatycznie odczytuje odległość między szczytami jako okres — i traci punkty! Zawsze…

  • 2. Dwa wykresy falowe — najczęstsza pułapka egzaminacyjna!
Kluczowa zasada odczytywania wykresów:

1. Wykres przestrzenny $y(x)$ — „Fotografia fali”:
• Oś pozioma to odległość / położenie $x$ [m lub cm].
• Przedstawia kształt całego ośrodka (np. całego sznura) w jednej zatrzymanej chwili czasu (jak na zdjęciu z aparatu).
• Odległość między dwoma sąsiednimi szczytami na tym wykresie to długość fali $\lambda$.
• Z tego wykresu nie odczytasz okresu $T$ ani częstotliwości $f$ (chyba że znasz prędkość fali).

2. Wykres czasowy $y(t)$ — „Film o jednym punkcie”:
• Oś pozioma to czas $t$ [s].
• Przedstawia, jak w czasie wznosi się i opada jedna wybrana cząstka (np. pływający korek).
• Odległość między dwoma sąsiednimi szczytami na tym wykresie to okres drgań $T$ (z którego liczysz $f = 1/T$).
• Z tego wykresu nie odczytasz długości fali $\lambda$.

• Amplituda $A$: na obu wykresach odczytuje się tak samo — to maksymalna wysokość grzbietu mierzona od osi równowagi $y = 0$.
Sprawdzenie · atom 2 · ~2 min

Pytanie do klasy

Co odczytasz z wykresu przestrzennego $y(x)$?

Ilustracja · atom 3 · ~3 min

Rysunek: porównanie wykresu przestrzennego i czasowego

1. Wykres przestrzenny y(x) „Zdjęcie fali” w jednej chwili t = const x [m] y [cm] A = 3 cm λ = 4 m ODCZYTUJESZ: długość fali λ oraz A 2. Wykres czasowy y(t) „Film z drgań jednego punktu x = const” t [s] y [cm] A = 3 cm T = 2 s ODCZYTUJESZ: okres T oraz A
Zwróć uwagę na oś poziomą: na wykresie po lewej mamy odległość x w metrach (mierzymy λ), a po prawej czas t w sekundach (mierzymy T). Kształt wykresów jest identyczny!
Sprawdzenie · atom 3 · ~2 min

Pytanie do klasy

Na lewym wykresie odległość między sąsiednimi grzbietami wynosi $4\text{ m}$. Co to oznacza?

Atom 4 z 8 · ~5 min

3. Podstawowy wzór falowy: prędkość fali

Przypomnij sobie najprostszy wzór na prędkość z fizyki: $\text{prędkość} = \frac{\text{droga}}{\text{czas}}$ ($v = \frac{s}{t}$).

  • Drogą przebywaną przez czoło fali w jednym powtórzeniu jest długość fali ($\lambda$) .
  • Czasem potrzebnym na wykonanie tego powtórzenia jest okres drgań źródła ($T$) .
  • Gdy szukasz długości fali : \[ \lambda = \frac{v}{f} \quad \text{lub} \quad \lambda = v \cdot T \]
  • Gdy szukasz częstotliwości : \[ f = \frac{v}{\lambda} \]
Podstawowy wzór falowy:
\[ v = \frac{\lambda}{T} \]
A ponieważ częstotliwość to odwrotność okresu ($f = \frac{1}{T}$), wzór ten najczęściej zapisujemy w postaci:
\[ v = \lambda \cdot f \]
• $v$ — prędkość rozchodzenia się fali w metrach na sekundę [$\text{m/s}$],
• $\lambda$ — długość fali w metrach [$\text{m}$],
• $f$ — częstotliwość drgań w hercach [$\text{Hz} = 1/\text{s}$],
• $T$ — okres drgań w sekundach [$\text{s}$].
Sprawdzenie · atom 4 · ~2 min

Pytanie do klasy

Który wzór wiąże prędkość fali z jej długością i częstotliwością?

Atom 5 z 8 · ~5 min

4. Złota tajemnica fizyki fal: prędkość zależy TYLKO od ośrodka!

To jedno z najbardziej zaskakujących praw fizyki, z którym intuicja początkowo próbuje walczyć. Zastanów się:

  • Prędkość fali $v$ pozostaje stała ($v = \text{const}$).
  • Skoro $v = \lambda \cdot f = \text{const}$, to przy wzroście $f$ długość fali $\lambda$ musi proporcjonalnie zmaleć !
  • Jeśli podwoisz częstotliwość ($f \times 2$), długość fali skróci się o połowę ($\lambda / 2$) — grzbiety fali ułożą się dwa razy gęściej obok siebie.
  • Prędkość fali nie zmieni się ani o milimetr na sekundę!
Od czego zależy prędkość fali mechanicznej?
Prędkość fali $v$ zależy wyłącznie od właściwości fizycznych ośrodka, w którym fala biegnie:
• od naprężenia sznura (mocniej napięty sznur = szybsza fala),
• od gęstości i sprężystości materiału (w stali fala dźwiękowa biegnie 15 razy szybciej niż w powietrzu!),
• od temperatury ośrodka (w ciepłym powietrzu dźwięk biegnie nieco szybciej niż w mroźnym).
Częstotliwość machania źródłem nie ma żadnego wpływu na prędkość fali!
Sprawdzenie · atom 5 · ~2 min

Pytanie do klasy

Machasz końcem sznura dwa razy szybciej niż wcześniej. Co dzieje się z prędkością fali w tym samym sznurze?

Symulacja · atom 6 · ~3 min

Animacja interaktywna: zbadaj związek między $v$, $\lambda$ i $f$

Sprawdzenie · atom 6 · ~2 min

Pytanie do klasy

W symulatorze zwiększasz częstotliwość z $0{,}8\text{ Hz}$ do $1{,}6\text{ Hz}$, nie ruszając napięcia ośrodka. Co obserwujesz?

Atom 7 z 8 · ~5 min

Przykłady obliczeniowe krok po kroku

Treść: Turysta stojący na pomoście zaobserwował, że grzbiety fal morskich uderzają o filar pomostu dokładnie co $5\text{ sekund}$. Za pomocą dalmierza zmierzył, że odległość między dwoma sąsiednimi grzbietami fal wynosi $15\text{ metrów}$.

  • Wypisujemy dane z zadania: • Okres drgań (czas między uderzeniami grzbietów): $T = 5\text{ s}$. • Długość fali (odległość grzbiet–grzbiet): $\lambda = 15\text{ m}$.
  • Wybieramy odpowiedni wzór: \[ v = \frac{\lambda}{T} \]
  • Podstawiamy dane liczbowe i jednostki: \[ v = \frac{15\text{ m}}{5\text{ s}} = 3\text{ m/s} \]
  • Przeliczamy opcjonalnie na kilometry na godzinę ($1\text{ m/s} = 3{,}6\text{ km/h}$): \[ 3 \cdot 3{,}6 = 10{,}8\text{ km/h} \]
Rozwiązanie krok po kroku:
  1. Wypisujemy dane z zadania:
    • Okres drgań (czas między uderzeniami grzbietów): $T = 5\text{ s}$.
    • Długość fali (odległość grzbiet–grzbiet): $\lambda = 15\text{ m}$.
    • Szukana: prędkość fali $v$.
  2. Wybieramy odpowiedni wzór: \[ v = \frac{\lambda}{T} \]
  3. Podstawiamy dane liczbowe i jednostki: \[ v = \frac{15\text{ m}}{5\text{ s}} = 3\text{ m/s} \]
  4. Przeliczamy opcjonalnie na kilometry na godzinę ($1\text{ m/s} = 3{,}6\text{ km/h}$): \[ 3 \cdot 3{,}6 = 10{,}8\text{ km/h} \]
Odpowiedź: Fale morskie poruszają się z prędkością $3\text{ m/s}$ (czyli $10{,}8\text{ km/h}$).
Sprawdzenie · atom 7 · ~2 min

Pytanie do klasy

Grzbiety fal uderzają o filar pomostu co $5\text{ s}$, a odległość między nimi wynosi $15\text{ m}$. Jaka jest prędkość tych fal?

Atom 8 z 8 · ~5 min

Zadanie transferowe — dźwięk wpada do wody

Nie liczy się do paska postępu. Odpowiedź znajdziesz w rozwijanym polu poniżej.

  • Czy częstotliwość drgań fali w wodzie zmieni się, czy pozostanie równa $500\text{ Hz}$? Dlaczego?
  • Oblicz długość fali tego dźwięku w powietrzu ($\lambda_1$) oraz w wodzie ($\lambda_2$).
  • Jak zmieniła się długość fali po przejściu do wody?
  • Częstotliwość $f$: Pozostaje dokładnie taka sama ($f = 500\text{ Hz}$) ! Częstotliwość fali jest narzucana wyłącznie przez drgające źródło (membranę głośnika).
Sprawdzenie · atom 8 · ~2 min

Pytanie do klasy

Głośnik nad jeziorem emituje dźwięk o częstotliwości $500\text{ Hz}$. Jaka jest częstotliwość fali po wejściu do wody?

Zamknięcie · ~3 min

Co zabrać z lekcji

  • W fali poprzecznej: długość fali $\lambda$ to odległość między dwoma sąsiednimi grzbietami (albo dwoma sąsiednimi dolinami).
  • Zarówno wykres drgań pojedynczego ciała, jak i wykres fali mają kształt regularnej sinusoidy (falbanki).
  • Rysunek: porównanie wykresu przestrzennego i czasowego
  • Drogą przebywaną przez czoło fali w jednym powtórzeniu jest długość fali ($\lambda$) .
Bilet wyjściowy: Jak zmienia się długość fali przy przejściu z powietrza do wody?
Odpowiedź: d) Rośnie około czterokrotnie, bo prędkość w wodzie jest większa
Hyżyk· Moduł 14 — Długość fali i prędkość: jak mierzyć i liczyć fal moduł 1 / 1