Naravoslovje 7 - priročnik za učitelja

VALOVANJEOperativni cilji• Spoznajo pojav valovanja na vodni gladini, vrvi in dolgi vzmeti.• Vedo, kaj sta valovna dolžina in frekvenca valovanja.• Vedo, da se z valovanjem prenaša energija; pri valovanju na vodni gladini in vrvi je to energija gibanja, privalovanju po dolgi vzmeti pa energija stisnjene oziroma raztegnjene vzmeti.• Spoznajo, da se valovanje na oviri odbije.• Spoznajo, da je zvok valovanje (prenašanje tresljajev po snovi).• Spoznajo podobnost med valovanjem na vodni gladini, zvokom in svetlobo: širjenje v vse smeri od mestanastanka, odboj na oviri, prenos energije, za potovanje ni potrebna gonilna razlika; na osnovi podobnostisklepajo, da je tudi svetloba valovanje.• Vedo, da se z valovanjem prenaša informacija; zvočni signal, svetlobni signal; hitrost prenosa informacije.Teoretična izhodiščaS pojmom valovanje označujemo množico pojavov, ki nastanejo v naravi ali pa jih povzročamo sami. To je širjenjemotenj po snovi ali polju oziroma delu prostora. V ravnovesni legi deli snovi mirujejo. Če se del snovi iz te lege zaradikakršnega koli razloga premakne, začne nihati okoli ravnovesne lege, ta motnja pa se razširi na sosednje dele.Najlaže si predstavljamo nihanje delov snovi, vendar gre lahko za nihanje katere koli fizikalne veličine. Širjenje motnjepo snovi, prostoru ali polju fizikalne veličine imenujemo valovanje. Vsi ti pojavi imajo nekaj skupnih lastnosti:• Motnja, ki jo opazujemo kot spremembo neke fizikalne veličine, se širi od mesta nastanka v vse smeri.• Na ovirah, ki so po velikosti primerljive z valovno dolžino valov, se motnja odbije, če pa so ovire veliko manjšeod valovne dolžine valov, se valovanje ukloni (primeri so širjenje zvoka za pohištvom in ljudmi, širjenjeradijskih valov za drevesi in hišami, širjenje svetlobe v senco predmetov).• Valovanja prenašajo informacije in energijo. Od vrste valovanja je odvisno, kaj od tega je močneje izraženo.Zvok, na primer, prenaša predvsem informacije, seizmično valovanje (premiki v notranjosti Zemlje) prenašavelike količine energije, medtem ko svetloba prenaša energijo s Sonca, na Zemlji pa prenaša informacije.Nihanje fizikalne veličine je lahko prečno (transverzalno) ali pa vzdolžno (longitudinalno) glede na smer širjenjavalovanja. Longitudinalna valovanja najlaže opazujemo na dolgi vzmeti, ki jo premikamo vzdolžno, prečnih premikovpa ne dopustimo. Pri tem se po vzmeti širijo zgoščine, kjer so navoji gostejši (vzmet je stisnjena), in razredčine,kjer so navoji redkejši (vzmet je raztegnjena). Primer longitudinalnega valovanja je zvok; po snovi se širijozgoščine in razredčine. Pri zvoku opazujemo nihanje tlaka v snovi, po kateri se širi valovanje. Pri transverzalnihvalovanjih je nihanje fizikalne veličine prečno glede na smer širjenja valovanja. Transverzalno valovanje lahkoopazujemo na vrvi ali na vodni gladini. Pri obeh opazujemo nihanje delov snovi (vrvi, vode); odmiki od ravnovesnelege so pravokotni na smer širjenja valovanja. Svetloba je transverzalno valovanje, tako kot vsa elektromagnetnavalovanja. V njih nihata električno in magnetno polje, in sicer pravokotno drug na drugega in pravokotno na smerširjenja valovanja. Elektromagnetno valovanje se širi s hitrostjo svetlobe.Valovanje najlaže opazujemo, če ga povzročamo sami. Zato obravnavamo valovanje na vodni gladini, na dolgivzmeti ali na vrvi. Spoznanja o poglavitnih lastnostih teh valovanj prenesemo na druge vrste valovanj, zvok insvetlobo. Tako ugotovimo, da sta tudi zvok in svetloba valovanji.Valovanje opisujemo s fizikalnimi veličinami frekvenco (ν), valovno dolžino (λ) in hitrostjo širjenja motnje (c). Povezavamed njimi je: c = λ ⋅ νOpazovanje valovanja je bolj zapleteno kot opazovanje nihanja. Že pri opredelitvi frekvence naletimo na prvetežave. Števila nihajev na časovno enoto ni težko prešteti. Z očmi spremljamo nihalo in vsakič, ko preide določenoizbrano lego, štejemo. Ko si zamislimo trenutno sliko nihanja, nihaja ne vidimo. Pri valovanju pa ni tako. Čebi “ustavili” valovanje, bi na trenutni sliki lahko prešteli množico valov. Vendar nam ta nič ne povedo o frekvencivalovanja. Slednjo lahko določimo tako, da štejemo valove, ki gredo v časovni enoti mimo določene točke. Trenutnaslika valovanja omogoča opredelitev valovne dolžine: razdalja med sosednjima točkama z enako amplitudo jevalovna dolžina. Najlaže jo določimo, če opazujemo razdaljo med dvema vrhovoma ali dolinama.Hitrost širjenja izbrane vrste valovanja (c) je pri enakih pogojih v isti snovi konstantna. Iz gornje enačbe lahkovidimo, da se s spremembo frekvence (ν) spremeni tudi valovna dolžina valovanja (λ). Pojav je lepo viden na vodnigladini, na vzmeti in na vrvi.Valovanja, ki se na določenem mestu srečajo, gredo drugo mimo drugega, ne da bi se zmotila. Za primerjavo sizamislimo dva poskusa. Pri prvem iz dveh cevi izteka vodni curek tako, da se curka srečata. Pri drugem poskusu134