Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

5.3: Хвилі та довжини хвиль

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    88064

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Цілі навчання

    • Охарактеризуйте важливі фізичні особливості хвильових форм
    • Покажіть, як фізичні властивості світлових хвиль пов'язані з перцептивним досвідом
    • Покажіть, як фізичні властивості звукових хвиль пов'язані з перцептивним досвідом

    Зорові та слухові подразники виникають у вигляді хвиль. Хоча ці два подразники дуже різні за складом, форми хвиль мають схожі характеристики, які особливо важливі для нашого зорового та слухового сприйняття. У цьому розділі ми опишемо фізичні властивості хвиль, а також перцептивні переживання, пов'язані з ними.

    Амплітуда і довжина хвилі

    Дві фізичні характеристики хвилі - амплітуда і довжина хвилі. Амплітуда хвилі - це висота хвилі, виміряна від найвищої точки хвилі (піку або гребеня) до найнижчої точки хвилі (корита). Довжина хвилі відноситься до довжини хвилі від одного піку до іншого.

    Діаграма ілюструє основні частини хвилі. Рухаючись зліва направо, лінія довжини хвилі починається над прямою горизонтальною лінією і падає і піднімається однаково вище і нижче цієї лінії. Одна з областей, де лінія довжини хвилі досягає найвищої точки, маркується «Пік». Горизонтальна дужка з написом «Довжина хвилі» простягається від цієї області до наступного піку. Одна з областей, де довжина хвилі досягає найнижчої точки, маркується «Корито». Вертикальна дужка з написом «Амплітуда» простягається від «Пік» до «корита».
    Малюнок\(\PageIndex{1}\): Амплітуда або висота хвилі вимірюється від піку до корита. Довжина хвилі вимірюється від піку до піку.

    Довжина хвилі безпосередньо пов'язана з частотою заданої форми хвилі. Частота відноситься до кількості хвиль, які проходять задану точку в даний період часу і часто виражається через герц (Гц), або циклів в секунду. Довші довжини хвиль матимуть нижчі частоти, а коротші довжини хвиль матимуть вищі частоти.

    Укладаються вертикально 5 хвиль різного кольору і довжини хвиль. Верхня хвиля червона з довгими довжинами хвиль, які вказують на низьку частоту. Рухаючись вниз, колір кожної хвилі різний: помаранчевий, жовтий, зелений і синій. Також рухаючись вниз, довжини хвиль стають коротшими у міру збільшення частот.
    Малюнок\(\PageIndex{2}\): Цей малюнок ілюструє хвилі різної довжини хвиль/частот. У верхній частині фігури червона хвиля має довгу довжину хвилі/коротку частоту. Рухаючись зверху вниз, довжини хвиль зменшуються, а частоти збільшуються.

    Світлові хвилі

    Видимий спектр - це частина більшого електромагнітного спектра, який ми можемо бачити. Як показано на малюнку нижче, електромагнітний спектр охоплює все електромагнітне випромінювання, яке відбувається в нашому середовищі, і включає гамма-промені,\(x\) -промені, ультрафіолетове світло, видиме світло, інфрачервоне світло, мікрохвильові хвилі та радіохвилі. Видимий спектр у людини пов'язаний з довжинами хвиль, які варіюються від\(380\) до\(740\) нм - дуже мала відстань, оскільки нанометр (нм) становить одну мільярдну частину метра. Інші види можуть виявити інші ділянки електромагнітного спектра. Наприклад, медоносні бджоли можуть бачити світло в ультрафіолетовому діапазоні (Wakakuwa, Stavenga, & Arikawa, 2007), а деякі змії можуть виявляти інфрачервоне випромінювання на додаток до більш традиційних візуальних світлових сигналів (Chen, Deng, Brauth, Ding, & Tang, 2012; Hartline, Kass, & Loop, 1978).

    Ця ілюстрація показує довжину хвилі, частоту та розмір об'єктів по всьому електромагнітному спектру.. Вгорі різні довжини хвиль задаються послідовно від малого до великого, з паралельною ілюстрацією хвилі зі зростаючою частотою. Це передбачені довжини хвиль, виміряні в метрах: «Гамма-промінь 10 до негативної дванадцятої потужності», «рентген 10 до негативної десятої потужності», ультрафіолетовий 10 до негативної восьмої потужності», «видимий .5 раз 10 до негативної шостої потужності», «інфрачервоний 10 до негативної п'ятої потужності», мікрохвильова піч 10 до негативної Інший розділ має мітку «Про розмір» і перераховує зліва направо: «Атомні ядра», «Атоми», «Молекули», «Найпростіші», «Точки», «Медоносні бджоли», «Люди» та «Будівлі» з ілюстрацією кожного з них. Внизу знаходиться рядок з написом «Частота» з наступними вимірами в герцах: 10 до потужностей 20, 18, 16, 15, 12, 8 і 4. Зліва направо лінія змінюється кольором з фіолетового на червоний з рештою кольорів видимого спектру між ними.
    Малюнок\(\PageIndex{3}\): Світло, видиме людині, становить лише невелику частину електромагнітного спектра.

    У людини довжина хвилі світла пов'язана зі сприйняттям кольору. У видимому спектрі наш досвід червоного пов'язаний з більшими довжинами хвиль, зелень є проміжними, а блюз і фіалки коротші за довжиною хвилі. (Легкий спосіб запам'ятати це мнемонічний ROYGBIV: або червоний, або помаранчевий, мій жовтий, г зелений, б синій, в індіго, v фіолетовий.) Амплітуда світлових хвиль пов'язана з нашим досвідом яскравості або інтенсивності кольору, при цьому більші амплітуди з'являються яскравіше.

    Лінія забезпечує довжину хвилі в нанометрах для «400», «500», «600» і «700» нанометрів. У межах цієї лінії знаходяться всі кольори видимого спектра. Нижче цього рядка, позначені зліва направо, знаходяться «Космічне випромінювання», «Гамма-промені», «Рентгенівське випромінювання», «Ультрафіолет», потім невелика область виноски для лінії вище, що містить кольори в зоровому спектрі, а потім «Інфрачервоне», «Терагерцеве випромінювання», «Радар», «Телебачення та радіомовлення» та «схеми змінного струму».
    Малюнок\(\PageIndex{4}\): Різні довжини хвиль світла пов'язані з нашим сприйняттям різних кольорів. (кредит: модифікація роботи Йоганнеса Альмана)

    Звукові хвилі

    Як і світлові хвилі, фізичні властивості звукових хвиль пов'язані з різними аспектами нашого сприйняття звуку. Частота звукової хвилі пов'язана з нашим сприйняттям висоти звуку. Високочастотні звукові хвилі сприймаються як високошвидкісні звуки, тоді як низькочастотні звукові хвилі сприймаються як низькочастотні звуки. Чутний діапазон звукових частот становить\(20\) від 6 до\(20000\) Гц, при цьому найбільша чутливість до тих частот, які потрапляють в середину цього діапазону.

    Як і у випадку з видимим спектром, інші види демонструють відмінності у своїх чутних діапазонах. Наприклад, кури мають дуже обмежений чутний діапазон, від\(125\) до\(2000\) Гц. Миші мають чутний діапазон від\(1000\) до\(91000\) Гц, а чутний діапазон білухи - від\(1000\) до\(123000\) Гц. Наші домашні собаки та коти мають чутні діапазони близько\(70-45000\) Гц і\(45-64000\) Гц відповідно (Strain, 2003).

    Гучність даного звуку тісно пов'язана з амплітудою звукової хвилі. Більш високі амплітуди пов'язані з більш голосними звуками. Гучність вимірюється через децибел (дБ), логарифмічну одиницю інтенсивності звуку. Типова розмова співвідноситься з\(60\) дБ; рок-концерт може зареєструватися в\(120\) дБ. \(5\)Шепіт ноги подалі або шелест листя знаходяться в нижньому кінці нашого слухового діапазону; звучить як віконний кондиціонер, звичайна розмова і навіть інтенсивний рух або пилосос знаходяться в допустимому діапазоні. Однак існує потенціал пошкодження слуху приблизно від\(80\) дБ до\(130\) дБ: Це звуки кухонного комбайна, газонокосарки, важкої вантажівки (\(25\)футів), поїзда метро (\(20\)футів), живої рок-музики та відбійного молотка. Поріг болю близько\(130\) дБ, реактивний літак злітає або револьвер стріляє на близькій відстані (Dunkle, 1982).

    Ця ілюстрація має вертикальну смугу посередині з позначенням децибел (дБ) під номером від 0 до 140 з інтервалом 20 від низу до верху. Зліва від смуги «інтенсивність звуку» різних звуків позначено: «Поріг слуху» дорівнює 0; «Шепіт» - 30, «м'яка музика» - 40, «Ризик втрати слуху» - 110, «больовий поріг» - 130, а «шкідлива» - 140. Праворуч від бару зображені фотографії, що зображують «загальний звук»: На 20 децибел зображено шурхітливе листя; в 60 - двоє людей, в 80 - машина, в 90 - кухонний комбайн, в 120 - музичний концерт, а в 130 - струмені.
    Малюнок\(\PageIndex{5}\): Ця цифра ілюструє гучність загальних звуків. (кредитні «літаки»: модифікація роботи Макса Пфандля; кредит «натовп»: модифікація роботи Крістіана Холмера; кредит «блендер»: модифікація роботи Джо Броді; кредит «автомобіль»: модифікація роботи NRMA New Cars/Flickr; кредит «розмова»: модифікація роботи Joi Ito; кредит «листя»: модифікація роботи by Авреліюс Валейша)

    Хоча амплітуда хвилі, як правило, пов'язана з гучністю, існує певна взаємодія між частотою та амплітудою в нашому сприйнятті гучності в межах чутного діапазону. Наприклад, звукова хвиля\(10\) Гц нечутна незалежно від амплітуди хвилі. Звукова хвиля\(1000\) Гц, з іншого боку, різко відрізнялася б з точки зору сприйнятої гучності, коли амплітуда хвилі збільшувалася.

    Звичайно, різні музичні інструменти можуть відтворювати одну і ту ж музичну ноту на одному рівні гучності, але вони все одно звучать зовсім по-різному. Це відомо як тембр звуку. Тембр відноситься до чистоти звуку, і на нього впливає складна взаємодія частоти, амплітуди та часу звукових хвиль.

    Резюме

    Як світло, так і звук можна описати з точки зору хвильових форм з фізичними характеристиками, такими як амплітуда, довжина хвилі та тембр. Довжина хвилі і частота обернено пов'язані, так що довші хвилі мають нижчі частоти, а коротші хвилі мають більш високі частоти. У зоровій системі довжина хвилі світлової хвилі, як правило, асоціюється з кольором, а її амплітуда пов'язана з яскравістю. У слуховій системі частота звуку пов'язана з висотою, а його амплітуда пов'язана з гучністю.

    Глосарій

    амплітуда
    висота хвилі
    децибел (дБ)
    логарифмічна одиниця інтенсивності звуку
    електромагнітний спектр
    все електромагнітне випромінювання, яке виникає в нашому середовищі
    частоти
    кількість хвиль, які проходять задану точку за заданий проміжок часу
    герц (Гц)
    циклів в секунду; міра частоти
    пік
    (також, гребінь) найвища точка хвилі
    крок
    сприйняття частоти звуку
    тембр
    чистота звуку
    корито
    найнижча точка хвилі
    видимий спектр
    частина електромагнітного спектра, що ми можемо бачити
    довжина хвилі
    довжина хвилі від одного піку до наступного піку

    Contributors and Attributions