Temat

Fale stojące

Etap edukacyjny

Drugi

Podstawa programowa

VIII. Ruch drgający i fale. Uczeń:

6) opisuje mechanizm powstawania i rozchodzenia się fal dźwiękowych w powietrzu; podaje przykłady źródeł dźwięku.

Czas

45 minut

Ogólny cel kształcenia

Omówienie warunków powstawania fali stojącej.

Kształtowane kompetencje kluczowe

1. Przedstawienie zjawiska odbicia fali.

2. Omówienie zjawiska interferencji fali.

3. Prezentacja fali stojącej jako szczególnego przypadku interferencji fal.

Cele (szczegółowe) operacyjne

Uczeń:

- rozumie zjawisko odbicia i interferencji fali,

- zna warunki niezbędne do powstania fali stojącej.

Metody kształcenia

1. Pogadanka przedstawiająca nowe wiadomości.

2. Dyskusja rozwijająca się w toku wspólnego rozwiązywania problemu przez klasę lub grupę.

Formy pracy

1. Praca indywidualna.

2. Współpraca ucznia z nauczycielem.

Etapy lekcji

Wprowadzenie do lekcji

Proszę odpowiedzieć na pytania wprowadzające do lekcji:

1. Co to jest fala?
2. Na czym polega rozchodzenie się fali w ośrodku sprężystym?
3. Co to jest dźwięk?
4. Opisz zjawisko odbicia fali.
5. Co to jest interferencja fali?

Realizacja lekcji

Odbicie fali:
Odbicie fali polega na zmianie kierunku rozchodzenia się fali, ale bez zmiany ośrodka, w którym fala się rozchodzi.

[Ilustracja 1]

Na powyższych ilustracjach zobrazowany jest proces odbicia się fali na granicy dwóch ośrodków różniących się prędkością rozchodzenia. Zjawisku odbicia towarzyszy w tym przypadku również częściowe wniknięcie fali do drugiego ośrodka.

[Ilustracja 2]

Impuls biegnący na strunie.

Po dotarciu do przeszkody następuje całkowite odbicie się od przeszkody i zmiana kierunku rozchodzenia się takiego impulsu.

Fala stojąca:
Fale stojące mogą powstawać w obszarach ograniczonych. Wtedy fala biegnąca w jednym kierunku nakłada się na falę odbitą od granicy obszaru i biegnącą w kierunku przeciwnym. W wyniku interferencji (nakładania się) takich fal powstaje fala stojąca. Różne cząsteczki ośrodka, w którym obecna jest fala stojąca wykonują drgania o różnych amplitudach, ale o tej samej częstości.

Falę stojącą charakteryzują następujące pojęcia:

- węzeł fali stojącej to miejsce, w którym cząsteczka ośrodka nie wykonuje drgań,
- strzałka fali stojącej to miejsce, w którym cząsteczka ośrodka wykonuje drgania z maksymalną amplitudą.

[Ilustracja interaktywna]

Pomiędzy dwoma przeszkodami wytworzyła się fala stojąca jako efekt nałożenia się na siebie dwóch fal biegnących w różne strony o takich samych częstotliwościach. Widać zarówno pierwszą harmoniczną, drugą oraz trzecią.

[Slideshow]

Odległość między węzłem a sąsiednią strzałką jest równa $\frac{1}{4}$ długości fali biegnącej w sznurze, natomiast dwa sąsiednie węzły lub dwie sąsiednie strzałki oddalone są o $\frac{1}{2}$ długości fali biegnącej w ośrodku.

Fala stojąca to w istocie drgania ośrodka, nazywane też drganiami normalnymi. Idealna fala stojąca różni się od fali biegnącej tym, że nie ma tu propagacji drgań, nie występuje zatem np.: czoło fali. Miejsca, gdzie amplituda fali osiąga maksima nazywane są strzałkami, zaś te, w których amplituda jest zawsze zerowa, węzłami fali stojącej. W przypadku niewielkiej niezgodności częstotliwości węzły i strzałki mogą się przesuwać. Jeżeli występuje pewna niezgodność amplitud, wówczas nie ma pełnego wygaszenia drgań w węzłach.

Podsumowanie lekcji

Fala stojąca - fala, której grzbiety i doliny nie przemieszczają się.

Fala stojąca powstaje na skutek interferencji dwóch takich samych fal poruszających się w tym samym kierunku, lecz o przeciwnych zwrotach. Zwykle efekt ten powstaje np.: poprzez nałożenie na falę biegnącą fali odbitej.

Fala stojąca to w istocie drgania ośrodka, nazywane też drganiami normalnymi.

Idealna fala stojąca różni się od fali biegnącej tym, że nie ma tu propagacji drgań, nie występuje zatem np.: czoło fali. Miejsca, gdzie amplituda fali osiąga maksima nazywane są strzałkami, zaś te, w których amplituda jest zawsze zerowa, węzłami fali stojącej. W przypadku niewielkiej niezgodności częstotliwości węzły i strzałki mogą się przesuwać. Jeżeli występuje pewna niezgodność amplitud, wówczas nie ma pełnego wygaszenia drgań w węzłach.