Μια παρουσίαση για την Γ Γυμνασίου

1. Εισαγωγικές έννοιες στην Κυματική Φυσική
Φιορεντίνος Ιωάννης
Φυσικός, MSc.
Απρίλης 2020

2. Πως μεταφέρεται η ενέργεια
Η ενέργεια μεταφέρεται με δύο τρόπους:
 Με μεταφορά μάζας:
Αν πετάξεις ένα μπαλάκι προς
το αμαξάκι, το αμαξάκι θα μετα-
κινηθεί
 Μέσω κυμάτων:
Αν δέσεις το αμαξάκι με ένα
σχοινί, τεντώσεις το σχοινί και
αρχίσεις να το κουνάς με το χέρι
σου, τότε το αμαξάκι θα μετακι-
νηθεί.

3. Τι ονομάζουμε κύμα;
Κύμα ονομάζεται η διάδοση μιας διαταραχής
στο χώρο και η εξέλιξή της στο χρόνο.

4. Τι είναι η «διαταραχή»;
Η διαταραχή μπορεί να είναι:
 η απομάκρυνση των υλικών σημείων (πχ. των μορίων
του μέσου διάδοσης) από τη θέση ισορροπίας τους
 η μεταβολή της πίεσης ή της πυκνότητας του αέρα.
 Η μεταβολή ενός ηλεκτρικού ή μαγνητικού πεδίου

5. Πόσες κατηγορίες κυμάτων έχουμε;
Υπάρχουν δύο κατηγορίες κυμάτων:
 Τα μηχανικά:
i. Μεταφέρουν μηχανική ενέργεια (και ορμή).
ii. Χρειάζονται κάποιο μέσο για να διαδοθούν.
iii. Δεν μεταφέρουν ύλη (μάζα)!
 Τα ηλεκτρομαγνητικά:
i. Μεταφέρουν ηλεκτρομαγνητική ενέργεια
ii. Διαδίδονται και στο κενό.
Και τα μηχανικά και τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα εκτός από ενέργεια μετα-
φέρουν και ορμή (θα μάθετε γι’ αυτήν στην επόμενη τάξη).

6. Μηχανικό κύμα

7. Ηλεκτρομαγνητικό κύμα
James Clerk Maxwell (1831–1879)

8. 2015
 Στις 14 Σεπτέμβριου του 2015 οι επιστήμονας, για
πρώτη φορά στην ιστορία, «κατέγραψαν» ένα νέο είδος
κυμάτων, τα λεγόμενα βαρυτικά κύματα. Τα
αναζητούσαν για 100 χρόνια!
 Τα είχε προβλέψει ήδη από το 1916 ο Albert Einstein
Albert Einstein (1879-1955)

9. Μηχανικά κύματα
 Τα μηχανικά κύματα όπως είπαμε μεταφέρουν μηχανική
ενέργεια (και ορμή).
 Χρειάζονται (υποχρεωτικά) κάποιο μέσο για να
διαδοθούν (το οποίο συχνά το ονομάζουμε και ελαστικό
μέσο). Δεν διαδίδονται στο κενό (σε αντίθεση με τα
ηλεκτρομαγνητικά).
 Παραδείγματα μέσου διάδοσης:
Νερό (πχ. τα κύματα στη θάλασσα, ή τα επιφανειακά
κύματα σε μία λίμνη),
Αέρας (πχ. ο ήχος),
Σκοινί,
Ελατήριο,
Εσωτερικό και επιφάνεια της Γης (σεισμικά κύματα).

10. Είδη κυμάτων
Διακρίνουμε δύο είδη διάδοσης, με βάση τον τρόπο
που κινούνται τα σωματίδια του μέσου διάδοσης:
 Τα εγκάρσια κύματα:
Τα σωματίδια του μέσου ταλαντώνονται κάθετα στη
διεύθυνση διάδοσης του κύματος.
 Τα διαμήκη κύματα:
Τα σωματίδια του μέσου ταλαντώνονται στην ίδια διεύθυνση
με τη διεύθυνση διάδοσης του κύματος

11. Διαμήκη κύματα
 Διαδίδονται και στα στερεά, και στα υγρά και στα αέρια
 Παραδείγματα:
Τα ηχητικά κύματα (ο ήχος)
Τα κύματα σε ένα ελατήριο

12. Εγκάρσια κύματα
 Διαδίδονται μόνο στα στερεά (και στην επιφάνεια των
υγρών, οπότε και λέγονται επιφανειακά κύματα.
 Παράδειγμα:
Κύματα σε σχοινί
 Επιφανειακά κύματα:
Δημιουργούνται στην επιφάνεια των υγρών, είναι «μίγμα»
διαμήκων και εγκαρσίων κυμάτων και μπορούν να θεωρηθούν
«κατά προσέγγιση» εγκάρσια.

13. Διαφορές Εγκάρσιων και διαμήκων
κυμάτων
 Τα διαμήκη κύματα διαδίδονται και στα στερεά και στα υγρά
και στα αέρια, ενώ τα εγκάρσια διαδίδονται μόνο στα στερεά
και «κατά προσέγγιση» στην επιφάνεια των υγρών.
 Στα διαμήκη τα σωματίδια του μέσου (μόρια) ταλαντώνονται
παράλληλα στη διεύθυνση διάδοσης του κύματος, ενώ στα
εγκάρσια ταλαντώνονται κάθετα.
 Στα διαμήκη κύματα σχηματίζονται πυκνώματα και
αραιώματα, ενώ στα εγκάρσια σχηματίζονται όρη και
κοιλάδες.
 Τα διαμήκη έχουν μεγαλύτερη ταχύτητα από τα εγκάρσια
(στα στερεά).
 Τα εγκάρσια κύματα «πολώνονται» ενώ τα διαμήκη δεν
μπορούν να πολωθούν.

14. Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα είναι
διαμήκη ή εγκάρσια;
 Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα είναι εγκάρσια
κύματα

15. Χαρακτηριστικά μεγέθη του κύματος
 Περίοδος (T): ο χρόνος που χρειάζονται τα σωματίδια του
μέσου (μόρια) για να εκτελέσουν μία πλήρη ταλάντωση.
Μετριέται σε seconds (s).
 Συχνότητα (f): ο αριθμός των ταλαντώσεων που εκτελούν τα
σωματίδια του μέσου, σε χρόνο 1 s. Μετριέται σε Hz.
 Πλάτος (Α) : η μέγιστη απομάκρυνση των σωματιδίων του
μέσου καθώς αυτά ταλαντώνονται γύρω από τη θέση
ισορροπίας τους. Μετριέται σε m.
 Ταχύτητα διάδοσης (υ): η ταχύτητα με την οποία ταξιδεύει το
κύμα στο μέσο διάδοσης. Μετριέται σε .
 Μήκος κύματος (λ): η απόσταση την οποία διανύει το κύμα σε
χρόνο μιας περιόδου Τ. Μετριέται σε m.
m
s

16. Χαρακτηριστικά μεγέθη διαμήκους
κύματος
• Συχνότητα κύματος: , όπου: η περίοδος
• Ταχύτητα κύματος:
1
f
T
 T
f
T

 
 

17. Χαρακτηριστικά μεγέθη εγκάρσιου
κύματος

18. Θεμελιώδης νόμος της κυματικής
Η σχέση:
ονομάζεται θεμελιώδης νόμος της κυματικής. Σύμφωνα
με το νόμο αυτό η ταχύτητα του κύματος σε ένα μέσο
ισούται με το γινόμενο της συχνότητάς του επί το μήκος
κύματος.
Η ταχύτητα διάδοσης ενός κύματος:
 Δεν εξαρτάται από το πλάτος του κύματος.
 Εξαρτάται μόνο από τις ιδιότητες του μέσου διάδοσης.
Στο ίδιο μέσο διάδοσης τα διαμήκη κύματα διαδίδονται
με μεγαλύτερη ταχύτητα απ’ ότι τα εγκάρσια.
f
 


19. Πως φθάνουμε στο θεμελιώδη νόμο της
κυματικής
Η ταχύτητα ενός σώματος, όπως μάθαμε στη δευτέρα
τάξη, ισούται με το πηλίκο της μετατόπισης του σώματος
προς τον αντίστοιχο χρόνο:
Η παραπάνω σχέση ισχύει (προφανώς) και για την
ταχύτητα διάδοσης ενός κύματος. Θυμηθείτε όμως ότι το
κύμα σε χρόνο (μιας περιόδου), διανύει απόσταση
ίση με λ, δηλαδή 1 μήκος κύματος. Έτσι λοιπόν έχουμε:
Όμως:
x
t




t T
 
T

 

20. Σε τι κατάσταση είναι ο πυρήνας της
Γης;

21.  ΜΕΛΕΤΗΣΤΕ ΤΙΣ ΣΕΛΙΔΕΣ 98-102 ΤΟΥ
ΒΙΒΛΙΟΥ
Φιορεντίνος Ιωάννης
Φυσικός, MSc.