Конвертер частоты и длины волны. Основные формулы по физике - колебания и волны Как найти длину волны

При проведении расчетов и проектировании телевизионных радиоприемников и передатчиков, медицинского и оптического оборудования, средств навигации, а также в других отраслях техники и науки возникает необходимость вычислять длину волн.

Длина волны - это расстояние между двумя точками (любыми), которые синфазно колеблются, но обычно за понятие «длина волны» принимают расстояние между гребнями этой волны. Измеряется величина длины волны в единицах расстояния, например в метрах. На вопрос, как найти длину волны, ответит наша статья.

Длина волны обратно пропорциональна частоте волны. Мы знаем, что единица измерения частоты - это герц (Гц). Например, частота тока домашних электросетей в России - 50Гц. Но для передачи радиосигналов и телевизионных сигналов используется более высокая частота.

Определение длины волны

Например, Вам известно, что какая-то радиостанция работает на частоте 1,7МГц, а шкала радиоприемника, который у Вас, отградуирована в метрах. Вам необходимо найти волну, на которой Вы будете слушать эту радиостанцию. Для того, чтобы ответить на вопрос о том, как определить длину волны, для начала нужно запомнить, чему равны сокращения некоторых величин:

• «к» - «кило», 103=1000
• «М» - «мега», 106=1000000

1. Необходимо перевести МГц в Гц. Мы получим - 1,7МГц=1700000Гц;

2. Длину волны можно найти по формуле:

• λ = c/v, где c - скорость света, v - частота излучения.

Скорость света в вакууме практически равна скорости света в воздухе. Электромагнитные волны и радиоволны, рентгеновское излучение распространяются со скоростью света. Итак, длина радиоволны частотой 1,7МГц равна:

300000000/1700000≈176,47м.

Какие бывают длины волн

Чем меньше длина волны, тем выше ее частота и наоборот, поэтому различают:

• длинные волны (ДВ), которые лежат в диапазоне 1000м-10000м
• средние волны (СВ), которые лежат в диапазоне 100м-1000м
• короткие (КВ), которые лежат в диапазоне 10м-100м
• ультракороткие (УКВ), которые лежат в диапазоне 10-6м-10м

Длинные волны могут распространяться до 2000км, потому что отражаются от поверхности земли.

Средние волны гасит поверхность планеты. Дальность распространения таких волн зависит от времени суток.

Короткие волны распространяются на огромные расстояния, отражаясь поочередно от ионосферы и от земли.

При распространении волн в разных средах их длина может меняться, при этом частота останется прежней. Это зависит от свойств среды распространения.

Свет играет важную роль в фотографии. Привычный всем солнечный свет имеет достаточно сложный спектральный состав.

Спектральный состав видимой части солнечного света характеризуется наличием монохроматических излучений, длина волны которых находится в пределах 400-720 нм, по другим данным 380-780 нм.

Иными словами солнечный свет может быть разложен на монохроматические составляющие. В тоже время монохроматические (или одноцветные) составляющие дневного света не могут быть выделены однозначно , а, ввиду непрерывности спектра, плавно переходят от одного цвета в другой.

Считается, что определённые цвета находятся в определённых пределах длин волн . Это иллюстрирует Таблица 1.

Длины световых волн

Таблица 1

Для фотографов представляет определённый интерес распределение длин волн по зонам спектра.

Всего выделяют три зоны спектра : Синюю (B lue), Зелёную (G reen) и Красную (R ed).

По первым буквам английских слов R ed (красный), G reen (зелёный), B lue (синий) получила название система представления цвета – RGB .

В RGB -системе работает множество устройств, связанных графической информацией, например, цифровые фотокамеры, дисплеи и т.п.

Длины волн монохроматических излучений, распределённых по зонам спектра, представлены в Таблице 2.

При работе с таблицами важно учесть непрерывный характер спектра . Именно непрерывный характер спектра приводит к расхождению, как ширины спектра видимого излучения, так и положение границ спектральных цветов.

Длины волн монохроматических излучений, распределённых по зонам спектра

Таблица 2

Что касается монохроматических цветов, то разные исследователи выделяют разное их количество! Принято считать от шести до восьми различных цветов спектра.

Шесть цветов спектра

Таблица 3

При выделении семи цветов спектра предлагается из диапазона синего 436-495 нм см.Таблицу 3 выделить две составляющие, одна из которых имеет синий (440-485 нм), другая – голубой (485-500 нм) цвет.

Семь цветов спектра

Таблица 4

Названия семи цветов спектра приведены в Таблице 5.

Названия семи цветов спектра

Таблица 5

При выделении восьми цветов спектра отдельно выделяется Жёлто-зелёный (550-575 нм), уменьшая диапазон зелёного и желтого цветов соответственно.

Восемь цветов спектра

Таблица 6

Для различных целей исследователи могут выделять и другое (существенно большее) число цветов спектра . Однако для практических нужд фотографы, как правило, ограничиваются 6-8 цветами.

Основные и дополнительные цвета

Рис.1. Чёрный и белый, основные и дополнительные цвета

Основные цвета – это три цвета , из которых можно получить любые другие цвета .

Собственно на этом принципе и стоит современная цифровая фотография, использующая в качестве основных цветов красный (R), зелёный (G) и синий (B) см.Таблицу 7.

Дополнительные цвета – это цвета, которые при смешении с основными цветами позволяют получить белый цвет. см.Таблицу 7.

Таблица 7

При изучении этого раздела следует иметь в виду, что колебания различной физической природы описываются с единых математических позиций. Здесь надо четко уяснить такие понятия, как гармоническое колебание, фаза, разность фаз, амплитуда, частота, период колебани.

Надо иметь в виду, что во всякой реальной колебательной системе есть сопротивления среды, т.е. колебания будут затухающими. Для характеристики затухания колебаний вводится коэффициент затухания и логарифмический декремент затухани.

Если колебания совершаются под действием внешней, периодически изменяющейся силы, то такие колебания называют вынужденными. Они будут незатухающими. Амплитуда вынужденных колебаний зависит от частоты вынуждающей силы. При приближении частоты вынужденных колебаний к частоте собственных колебаний амплитуда вынужденных колебаний резко возрастает. Это явление называется резонансом.

Переходя к изучению электромагнитных волн нужно четко представлять, что электромагнитная волна - это распространяющееся в пространстве электромагнитное поле. Простейшей системой, излучающей электромагнитные волны, является электрический диполь. Если диполь совершает гармонические колебания, то он излучает монохроматическую волну.

Таблица формул: колебания и волны

Тело, колеблющееся в упругой среде, создает возмущение, которое передается от одной точки к другой и носит название волны. Происходит это с определенной скоростью, которая считается скоростью ее распространения. То есть это величина, характеризующая расстояние, проходимое любой точкой волны за единичный отрезок времени.

Пусть волна движется вдоль одной из осей (например, горизонтальной). Ее форма повторяется в пространстве через определенное время, т. е. профиль волны перемещается вдоль оси распространения со скоростью, имеющей постоянное значение. За время, соответствующее ее фронт сместится на расстояние, именуемое длиной волны.

Получается, длина волны - то самое расстояние, которое "пробегает" ее фронт за отрезок времени, равный периоду колебаний. Для наглядности представим себе волну в том виде, в каком ее обычно изображают на рисунках. Все мы помним, как выглядят, например, Ветер гонит их вдоль моря, и каждая волна имеет гребень и самую низкую точку (минимум), причем и те, и другие постоянно перемещаются и сменяют друг друга. Точки, лежащие в одной фазе, - это вершины двух соседних гребней (примем допущение, что гребни имеют одинаковую высоту и движение происходит с постоянной скоростью) или две самые низкие точки соседних волн. Длина волны - как раз и есть расстояние между такими точками (двумя соседними гребнями).

В виде волн могут распространяться все - тепловая, световая, звуковая. Все они имеют разную длину. Например, проходя через атмосферу, звуковые волны слегка меняют давление воздуха. Области максимального давления соответствуют максимумам звуковых волн. Благодаря своему строению человеческое ухо улавливает эти изменения давления и посылает сигналы в мозг. Таким образом мы слышим звук.

Длина звуковой волны определяет ее свойства. Чтобы найти ее, необходимо (измеряемую в м/сек) поделить на частоту в Гц. Пример: при частоте 688 Гц звуковая волна движется со скоростью 344 м/сек. Длина волны при этом будет равна 344: 688=0.5 м. Известно, что скорость распространения волны в одной и той же среде не меняется, следовательно, ее длина будет зависеть от частоты. Низкочастотные имеют длину волны больше, чем высокочастотные.

Примером другой разновидности электромагнитного излучения может служить световая волна. Свет - часть электромагнитного спектра, видимая нашему глазу. Длина световой волны, которую может воспринимать человеческое зрение, лежит в пределах от 400 до 700 нм (нанометров). По обе стороны от видимого диапазона спектра лежат области, не воспринимаемые нашим глазом.

Ультрафиолетовые волны имеют длину, меньшую, чем длина видимой части спектра. Хотя человеческий глаз не в состоянии их видеть, но, тем не менее, они способны нанести нашему зрению немалый вред.

Длина волны больше той максимальной длины, которую мы способны увидеть. Эти волны улавливаются специальным оборудованием и используются, например, в камерах ночного видения.

Среди лучей, доступных нашему зрению, самой малой длиной обладает луч фиолетового цвета, самой большой - красный. В промежутке между ними лежит весь доступный взгляду спектр (вспомним радугу!)

Как мы воспринимаем цвета? Лучи света, имеющие определенную длину, попадают на сетчатку глаза, имеющую светочувствительные рецепторы. Эти рецепторы передают сигналы непосредственно в наш мозг, где формируется ощущение определенного цвета. Какие именно цвета мы видим - зависит от длин волн падающих лучей, а яркость цветового ощущения определяется интенсивностью излучения.

Все предметы, окружающие нас, имеют способность отражать, пропускать либо поглощать падающий свет (полностью или частично). Например, зеленый цвет листвы означает, что из всего диапазона отражаются в основном лучи зеленого цвета, остальные поглощаются. Прозрачные предметы имеют свойство задерживать излучения определенной длины, что используется, например, в фотографии фильтров).

Таким образом, цвет предмета говорит нам о способности отражать волны определенной части спектра. Предметы, отражающие весь спектр, мы видим белыми, поглощающие все лучи - черными.

Волна представляет собой возмущение материи, которое, распространяясь в пространстве, переносит энергию без переноса самой материи. Каждая волна имеет определенные характеристики. Одной из важных характеристик процессов возмущения является длина волны, формула для расчета которой приводится в статье.

Виды волн

Все волны классифицируют по их физической природе, по типу движения частиц материи, по их периодичности и по способу распространения в пространстве.

Согласно типу движения частиц материи при распространении в ней волны выделяют следующие виды:

• Поперечные волны - это такой тип возмущения, при котором частицы материи колеблются в направлении, которое перпендикулярно направлению распространения волны. Примером поперечной волны является свет.
• Продольные волны - это волны, в которых частицы материи колеблются в направлении распространения волны. Звук является хорошим примером продольной волны.

Согласно физической природе выделяют следующие типы волн:

• Механические. Этому типу волн необходимо вещество, чтобы они возникли, то есть твердая, жидкая или газообразная среда. Примером механических волн являются волны на море.
• Электромагнитные. Этот тип волн не нуждается в веществе для своего распространения, а может распространяться в вакууме. Ярким примером электромагнитных волн являются радиоволны.
• Гравитационные. Эти волны приводят к возмущению пространства-времени. Порождают такие волны крупные космические объекты, например, двойная звезда, которая вращается вокруг общего центра тяжести.

В соответствии с размерностью волны они могут быть:

• Одномерные, то есть такие, которые распространяются в одном измерении, например, вибрация веревки.
• Двумерные или поверхностные. Эти волны распространяются в двух измерениях, например, волны на поверхности воды.
• Трехмерные или сферические. Эти волны распространяются в трех измерениях, например, свет или звук.

В соответствии с периодичностью волны можно сказать, что существуют:

• Периодические возмущения, которые отличаются строго повторяющимися характеристиками через определенный промежуток времени, например, звуковые волны.
• Не периодические, такие волны не повторяют своих характеристик, через определенные интервалы времени, например, волны электрокардиограммы.

Физические характеристики волны

Волна характеризуется 6 параметрами, из которых только 3 являются независимыми, остальные выводятся из этих трех по соответствующим формулам:

1. Длина волны L - расстояние между двумя максимумами волны.
2. Высота H - вертикальное расстояние между максимумом и минимумом волны.
3. Амплитуда - величина, равная половине высоты.
4. Период T - время, за которое два максимума или два минимума волны пройдут через одну и ту же точку пространства.
5. Частота - величина обратная периоду волны, то есть она описывает количество максимумов или минимумов, которые проходят через конкретную точку пространства за единицу времени.
6. Скорость - величина, характеризующая распространение волны. Она вычисляется по формуле: длина волны делить на период, то есть v = L/T.

Независимыми характеристиками являются, например, длина волны, период и ее амплитуда.

Длина волны

Эта характеристика содержит информацию о волне, которая во многом описывает ее свойства. В физике длина волны определяется как расстояние между двумя ее максимумами (минимумами), или в более общем случае как расстояние между двумя точками, которые колеблются в одной фазе. Под фазой волны понимается мгновенное состояние каждой точки волны. Понятие "фаза" имеет смысл только для периодических Длина волны обычно обозначается греческой буквой λ (лямбда).

В физике формула для длины волны зависит от начальной информации, которая имеется о данном колебании. Например, в случае электромагнитных колебаний можно знать частоту и скорость распространения волны, а затем для вычисления длины волны применить обычную формулу расчета, либо можно знать энергию отдельного фотона, тогда уже следует применять специфическую формулу именно для энергии.

Синусоидальные волны

Согласно теореме Фурье, любая периодическая волна может быть представлена суммой синусоидальных волн различной длины. Эта теорема позволяет изучать каждую периодическую волну благодаря изучению ее синусоидальных компонентов.

Для синусоидальной волны с частотой f, периодом T и скоростью распространения v формула длины волны имеет вид: λ = v/f = v*T.

Скорость распространения волны зависит от типа среды, в которой происходит волновой процесс, а также от частоты колебаний. Скорость распространения электромагнитной волны в вакууме является величиной постоянной и приблизительно равна 3*10 8 м/с.

Звуковые волны

Этот тип механических волн порождается за счет локального изменения давления в веществе, возникающего при колебательных процессах. Например, в воздушной среде речь идет о разряженных и сжатых областях, которые распространяются в виде сферической волны от порождающего их источника. Этот тип волн является периодическим, поэтому формула для длины звуковой волны является такой же, как и для синусоидальной.

Отметим, что в жидкостях и газах могут распространяться только продольные волны, поскольку в этих средах не возникает упругой силы при сдвиге слоев вещества относительно друг друга, в то время как в твердом теле помимо продольных, могут существовать и поперечные волны.

Скорость звуковых волн в различных средах

Скорость распространения таких волн определяется характеристиками колебательной среды: ее давлением, температурой и плотностью вещества. Поскольку элементарные частицы, составляющие твердые тела, находятся ближе друг к другу, чем эти частицы в жидкостях, то такая структура твердого вещества позволяет передавать колебательную энергию через него быстрее, чем через жидкость, поэтому скорость распространения волны в них больше. По этой же причине скорость звука в жидкостях выше, чем в газах.

Данные о скорости звука в некоторых средах:

В случае воздуха отметим, что Ньютоном была выведена формула для скорости звука в этой среде в зависимости от температуры, которая впоследствии была модифицирована Лапласом. Эта формула имеет вид: v = 331+0,6*t ºC.

Таким образом, формула для длины звуковой волны с частотой f в воздухе при 25 ºC приобретет вид: λ = v/f = 346/f.

Электромагнитные волны

В отличие от механических волн, природа которых заключается в возмущении вещества, в котором они распространяются, электромагнитные волны не требуют материи для своего распространения. Они возникают по причине двух эффектов: во-первых, переменное магнитное поле создает электрическое поле, во-вторых, переменное электрическое поле создает магнитное поле. Осциллирующие магнитное и электрическое поля направлены перпендикулярно друг к другу и перпендикулярно к направлению движения волны, поэтому по своей природе электромагнитные волны являются поперечными.

В вакууме эти волны движутся со скоростью 3*10 8 м/с и могут иметь различные значения частоты, поэтому длина электромагнитной волны выражается в виде: λ = v/f = 3*10 8 /f, где f - частота колебаний.

Спектр электромагнитного излучения

Спектр электромагнитного излучения представляет собой совокупность всех длин электромагнитных волн. Различают следующие части спектра:

• Радиоэлектрическое излучение. Длина волны спектра для этого излучения составляет от нескольких сантиметров до тысяч километров. Используются эти волны в телевидении и различных типах связи.
• Инфракрасное излучение. Это тепловое излучение имеет длины волн порядка нескольких микрометров.
• Видимый свет. Это та часть спектра, которую человеческий глаз способен различать. Его длина волн находится в пределах от 400 нм (синий) до 700 нм (красный).
• Ультрафиолетовый спектр. Его длины волн лежат в пределах 15-400 нм.
• Рентгеновское излучение. Используется главным образом в медицине. Их длина волны лежит в области 10 нм - 10 пм. Источником их излучения являются колебания электронов в атомах.
• Гамма-лучи. Это самая высокочастотная часть спектра, с длиной волны меньше 10 пк. Гамма-лучи обладают огромной проникающей способностью через любое вещество. Порождаются они в результате процессов, происходящих в ядре атома.

Расчет длины волны через энергию фотона

Очень часто в физике возникают задачи, которые ставят вопрос, чему равна длина волны для фотона, имеющего энергию E. Для решения такого рода задач следует использовать следующую формулу: E=h*c/λ, где c - скорость движения фотона, h - постоянная Планка, которая равна 6,626*10 -34 Дж*с.

Из приведенной формулы получим длину волны фотона: λ = h*c/E. Например, пусть энергия фотона E = 2,88*10 -19 Дж, а фотон движется в вакууме, то есть c = 3*10 8 м/с. Тогда получаем: λ = h*c/E = 6,626*10 -34 *3*10 8 /2,88*10 -19 = 6,90*10 -7 м = 690 нм. Таким образом, этот фотон имеет длину волны, которая лежит вблизи верхней границы видимого спектра, и будет восприниматься человеком, как красный луч света.