Что быстрее световые или звуковые волны: Разница между звуковыми волнами и радиоволнами – Разница Между

Содержание

Чему равна скорость тока в проводнике? Неужели скорости света? | Все об электричестве

Любой человек, разбирающийся в физике, скажет, что скорость движения электрического тока равна скорости света и составляет 300 тысяч километров в секунду. С одной стороны он прав на 100%, но есть нюансы.

Со светом все просто и прозрачно: скорость полета фотона равна скорости распространения светового луча. С электронами сложнее. Электрический ток сильно отличается от видимого излучения.

Почему считается, что скорость полета фотонов в вакууме и скорость электронов в проводнике одинакова? Утверждение основано на фактических результатах. В 1888 году немецкий ученый Генрих Герц экспериментально установил, что электромагнитная волна распространяется в вакууме так же быстро как свет. Но можно ли говорить, что электроны в проводнике летят со скоростью света? Надо разобраться с природой электричества.

Что такое электрический ток?

Из школьного курса физики известно, что электричество – это поток электронов, упорядоченно перемещающихся в проводнике.

Пока источника электричества нет, электроны движутся в проводнике хаотически, в разных направлениях. Если суммировать траектории всех заряженных частиц, получится ноль. Поэтому кусок металла не бьет током.

Если металлический предмет подсоединить к электрической цепи, все электроны в нем выстроятся в цепочку и потекут от одного полюса к другому. Насколько быстро произойдет упорядочение? Со скоростью света в вакууме. Но это не означает, что электроны полетели от одного полюса к другому также стремительно. Это заблуждение. Просто люди настолько привыкли к утверждению, что электричество распространяется так же быстро как свет, что не особо задумываются над деталями.

Популярные заблуждения о скорости света

Еще одним примером такого поверхностного восприятия можно назвать понятие о природе молнии. Многие ли задумываются, какие физические процессы происходят во время грозы? Какова, например, скорость молнии? Можно ли без приборов узнать, на какой высоте бушуют грозовые разряды? Разберемся со всем этим по порядку.

Кто-то может сказать, что молния бьет со скоростью света, и будет не прав. Настолько быстро распространяется вспышка, вызванная гигантским электрическим разрядом в атмосфере, но сама молния гораздо медленнее. Грозовой разряд – это не удар луча света наподобие лазера, хотя визуально похоже. Это сложная структура в насыщенной электричеством атмосфере.

Ступенчатый лидер или главный канал молнии формируется в несколько этапов. Каждая ступень в десятки метров образуется со скоростью около 100 км/сек вдоль разрядных нитей из ионизированных частиц. Направление меняется на каждом этапе, поэтому молния имеет вид извилистой линии. 100 километров в секунду – это быстро, но до скорости электромагнитной волны очень далеко. В три тысячи раз.

Что быстрее: молния или гром?

Этот детский вопрос имеет простой ответ – молния. Из того же школьного курса физики известно, что скорость звука в воздухе равна примерно 331 м/сек. Почти в миллион раз медленнее электромагнитной волны.

Зная это, легко понять, как высчитать расстояние до молнии.

Свет вспышки доходит до нас в момент разряда, а звук летит дольше. Достаточно засечь промежуток времени между вспышкой и громом. Теперь просто считаем, насколько далеко от нас ударила молния, по простой формуле:

L =T × 331

Где T – это время от вспышки до грома, а L – это расстояние от нас до молнии в метрах.

Например, гром прогремел через 7.2 секунды после вспышки. 331 × 7.2 = 2383. Получается, что молния ударила на высоте 2 километра 383 метра.

Скорость электромагнитной волны – это не скорость тока

Теперь будем более внимательны к цифрам и терминам. На примере молнии убедились, что маленькое неверное допущение может привести к большим промахам. Точно известно, что скорость распространения электромагнитной волны равна 300 000 километров в секунду. Однако это не означает, что электроны в проводнике перемещаются с такой же скоростью.

Представим, что две команды соревнуются, кто быстрее доставит мяч с одного края поля на другой. Обязательное условие – каждый член команды сделает несколько шагов с мячом в руках. В одной команде пять человек, а в другой – один. Пятеро, выстроившись в цепочку, сыграют в пас, сделав каждый несколько шагов в направлении от старта к финишу. Одиночке придется бежать всю дистанцию. Очевидно, что победят пятеро, потому что мяч летит быстрее, чем человек бегает.

Так же и с электричеством. Электроны «бегают» медленно (собственная скорость элементарных частиц в направленном потоке исчисляется миллиметрами в секунду), но передают друг другу «мячик» заряда очень быстро. При отсутствии разности потенциалов на разноименных концах проводника все электроны движутся хаотично. Это тепловое движение, присутствующее в каждом веществе.

Если бы электроны двигались в проводах со скоростью света

Представим, что скорость электронов в проводнике все-таки близка к световой. В этом случае современная энергетика была бы невозможна в привычном для нас виде. Если бы электроны двигались по проводам, пролетая 300 000 километров в секунду, пришлось бы решать очень сложные технические задачи.

Самая очевидная проблема: на такой скорости электроны не смогут следовать за поворотами проводов. Разогнавшись на прямом участке, заряженные частицы будут вылетать по касательной как не вписавшиеся в вираж автомобили. Чтобы удержать летящие на космических скоростях электроны внутри энергетических магистралей, придется снабжать провода электромагнитными ловушками. Каждый участок проводки станет похожим на фрагмент адронного коллайдера.

К счастью элементарные частицы предвигаются гораздо медленнее и для передачи энергии на дальние расстояния вполне пригодны неизолированные алюминиевые провода для ЛЭП

Надеемся, что ознакомившись с этим обзором, вы нашли ответ на вопрос почему ток не бежит по кабелям со скоростью света и вспомнили кое-что из школьного курса физики, а это, согласитесь, крайне полезно в любом возрасте.

СОЛИТОНЫ | Наука и жизнь

Человеку даже без специального физического или технического образования несомненно знакомы слова “электрон, протон, нейтрон, фотон”. А вот созвучное с ними слово “солитон” многие, вероятно, слышат впервые. Это и неудивительно: хотя то, что обозначается этим словом, известно более полутора столетий, надлежащее внимание солитонам стали уделять лишь с последней трети ХХ века. Солитонные явления оказались универсальными и обнаружились в математике, гидромеханике, акустике, радиофизике, астрофизике, биологии, океанографии, оптической технике. Что же это такое – солитон?

Картина И. К. Айвазовского ‘Девятый вал’. Волны на воде распространяются подобно групповым солитонам, в середине которых, в интервале от седьмой до десятой, идет самая высокая волна.

Обычная линейная волна имеет форму правильной синусоиды (а).

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

Так ведет себя нелинейная волна на поверхности воды при отсутствии дисперсии.

Так выглядит групповой солитон.

Ударная волна перед шаром, летящим в шесть раз быстрее звука. На слух она воспринимается как громкий хлопок.

Во всех вышеперечисленных областях есть одна общая черта: в них или в отдельных их разделах изучаются волновые процессы, а проще говоря – волны. В наиболее общем смысле волна – это распространение возмущения какой-либо физической величины, характеризующей вещество или поле. Это распространение обычно происходит в какой-то среде – воде, воздухе, твердых телах. И только электромагнитные волны могут распространяться в вакууме. Все, несомненно, видели, как от брошенного в воду камня, “возмутившего” спокойную поверхность воды, расходятся сферические волны. Это пример распространения “одиночного” возмущения. Очень часто возмущение представляет собой колебательный процесс (в частности, периодический) в самых различных формах – качание маятника, колебания струны музыкального инструмента, сжатие и расширение кварцевой пластинки под действием переменного тока, колебания в атомах и молекулах. Волны – распространяющиеся колебания – могут иметь различную природу: волны на воде, звуковые, электромагнитные (в том числе световые) волны.

Различие физических механизмов, реализующих волновой процесс, влечет за собой различные способы его математического описания. Но волнам разного происхождения присущи и некоторые общие свойства, для описания которых используют универсальный математический аппарат. А это означает, что можно изучать волновые явления, отвлекаясь от их физической природы.

В теории волн так обычно и делают, рассматривая такие свойства волн, как интерференция, дифракция, дисперсия, рассеяние, отражение и преломление. Но при этом имеет место одно важное обстоятельство: такой единый подход правомерен при условии, что изучаемые волновые процессы различной природы линейны.О том, что под этим понимается, мы поговорим чуть позже, а сейчас лишь заметим, что линейными могут быть только волны с не слишком большой амплитудой. Если же амплитуда волны велика, она становится нелинейной, и это имеет прямое отношение к теме нашей статьи – солитонам.

Поскольку мы все время говорим о волнах, нетрудно догадаться, что солитоны – тоже что-то из области волн. Это действительно так: солитоном называют весьма необычное образование – “уединенную” волну (solitary wave). Механизм ее возникновения долгое время оставался загадкой для исследователей; казалось, что природа этого явления противоречит хорошо известным законам образования и распространения волн. Ясность появилась сравнительно недавно, и сейчас изучают солитоны в кристаллах, магнитных материалах, волоконных световодах, в атмосфере Земли и других планет, в галактиках и даже в живых организмах. Оказалось, что и цунами, и нервные импульсы, и дислокации в кристаллах (нарушения периодичности их решеток) – все это солитоны! Солитон поистине “многолик”. Кстати, именно так и называется прекрасная научно-популярная книга А. Филиппова “Многоликий солитон”. Ее мы рекомендуем читателю, не боящемуся довольно большого количества математических формул.

Чтобы понять основные идеи, связанные с солитонами, и при этом обойтись практически без математики, придется поговорить в первую очередь об упоминавшейся уже нелинейности и о дисперсии – явлениях, лежащих в основе механизма образования солитонов. Но сначала расскажем о том, как и когда был обнаружен солитон. Он впервые явился человеку в “обличии” уединенной волны на воде.

…Это случилось в 1834 году. Джон Скотт Рассел, шотландский физик и талантливый инженер-изобретатель, получил предложение исследовать возможности навигации паровых судов по каналу, соединяющему Эдинбург и Глазго. В то время перевозки по каналу осуществлялись с помощью небольших барж, которые тащили лошади. Чтобы выяснить, как нужно переоборудовать баржи при замене конной тяги на паровую, Рассел начал вести наблюдения за баржами различной формы, движущимися с разными скоростями. И в ходе этих опытов он неожиданно столкнулся с совершенно необычным явлением. Вот как он описал его в своем “Докладе о волнах”:

“Я следил за движением баржи, которую быстро тянула по узкому каналу пара лошадей, когда баржа неожиданно остановилась. Но масса воды, которую баржа привела в движение, собралась около носа судна в состоянии бешеного движения, затем неожиданно оставила его позади, катясь вперед с огромной скоростью и принимая форму большого одиночного возвышения – округлого, гладкого и четко выраженного водяного холма. Он продолжал свой путь вдоль канала, нисколько не меняя своей формы и не снижая скорости. Я последовал за ним верхом, и когда нагнал его, он по-прежнему катился вперед со скоростью примерно 8-9 миль в час, сохранив свой первоначальный профиль возвышения длиной около тридцати футов и высотой от фута до полутора футов. Его высота постепенно уменьшалась, и после одной или двух миль погони я потерял его в изгибах канала”.

Рассел назвал обнаруженное им явление “уединенной волной трансляции”. Однако его сообщение встретили скепсисом признанные авторитеты в области гидродинамики – Джордж Эйри и Джордж Стокс, полагавшие, что волны при движении на большие расстояния не могут сохранять свою форму. Для этого у них были все основания: они исходили из общепринятых в то время уравнений гидродинамики. Признание “уединенной” волны (которая была названа солитоном гораздо позже – в 1965 году) произошло еще при жизни Рассела трудами нескольких математиков, которые показали, что существовать она может, и, кроме того, были повторены и подтверждены опыты Рассела. Но споры вокруг солитона все же долго не прекращались – слишком велик был авторитет Эйри и Стокса.

Окончательную ясность в проблему внесли голландский ученый Дидерик Иоханнес Кортевег и его ученик Густав де Фриз. В 1895 году, через тринадцать лет после смерти Рассела, они нашли точное уравнение, волновые решения которого полностью описывают происходящие процессы. В первом приближении это можно пояснить следующим образом. Волны Кортевега – де Фриза имеют несинусоидальную форму и становятся синусоидальными только в том случае, когда их амплитуда очень мала. При увеличении длины волны они приобретают вид далеко разнесенных друг от друга горбов, а при очень большой длине волны остается один горбик, который и соответствует “уединенной” волне.

Уравнение Кортевега – де Фриза (так называемое КдФ-уравнение) сыграло очень большую роль в наши дни, когда физики поняли его универсальность и возможность приложения к волнам различной природы. Самое замечательное, что оно описывает нелинейные волны, и теперь следует более подробно остановиться на этом понятии.

В теории волн фундаментальное значение имеет волновое уравнение. Не приводя его здесь (для этого требуется знакомство с высшей математикой), отметим лишь, что искомая функция, описывающая волну, и связанные с ней величины содержатся в первой степени. Такие уравнения называются линейными. Волновое уравнение, как и любое другое, имеет решение, то есть математическое выражение, при подстановке которого обращается в тождество. Решением волнового уравнения служит линейная гармоническая (синусоидальная) волна. Подчеркнем еще раз, что термин “линейная” употребляется здесь не в геометрическом смысле (синусоида – не прямая линия), а в смысле использования первой степени величин в волновом уравнении.

Линейные волны подчиняются принципу суперпозиции (сложения). Это означает, что при наложении нескольких линейных волн форма результирующей волны определяется простым сложением исходных волн. Это происходит потому, что каждая волна распространяется в среде независимо от других, между ними нет ни обмена энергией, ни иного взаимодействия, они свободно проходят одна через другую. Иными словами, принцип суперпозиции означает независимость волн, и именно поэтому их можно складывать. При обычных условиях это справедливо для звуковых, световых и радиоволн, а также для волн, которые рассматриваются в квантовой теории. Но для волн в жидкости это не всегда верно: складывать можно лишь волны очень малой амплитуды. Если попытаться сложить волны Кортевега – де Фриза, то мы вообще не получим волну, которая может существовать: уравнения гидродинамики нелинейны.

Здесь важно подчеркнуть, что свойство линейности акустических и электромагнитных волн соблюдается, как было уже отмечено, при обычных условиях, под которыми подразумеваются, прежде всего, небольшие амплитуды волн. Но что значит – “небольшие амплитуды”? Амплитуда звуковых волн определяет громкость звука, световых – интенсивность света, а радиоволн – напряженность электромагнитного поля. Радиовещание, телевидение, телефонная связь, компьютеры, осветительные приборы и многие другие устройства работают в тех самых “обычных условиях”, имея дело с разнообразными волнами малой амплитуды. Если же амплитуда резко увеличивается, волны теряют линейность и тогда возникают новые явления. В акустике давно известны ударные волны, распространяющиеся со сверхзвуковой скоростью. Примеры ударных волн – раскаты грома во время грозы, звуки выстрела и взрыва и даже хлопанье кнута: его кончик движется быстрее звука. Нелинейные световые волны получают с помощью мощных импульсных лазеров. Прохождение таких волн через различные среды меняет свойства самих сред; наблюдаются совершенно новые явления, составляющие предмет изучения нелинейной оптики. Например, возникает световая волна, длина которой в два раза меньше, а частота, соответственно, вдвое больше, чем у входящего света (происходит генерация второй гармоники). Если направить на нелинейный кристалл, скажем, мощный лазерный пучок с длиной волны l1 = 1,06 мкм (инфракрасное излучение, невидимое глазом), то на выходе кристалла возникает кроме инфракрасного зеленый свет с длиной волны l2 =0,53 мкм.

Если нелинейные звуковые и световые волны образуются только в особых условиях, то гидродинамика нелинейна по самой своей природе. А поскольку гидродинамика проявляет нелинейность уже в самых простых явлениях, почти столетие она развивалась в полной изоляции от “линейной” физики. Никому просто не приходило в голову искать что-либо похожее на “уединенную” волну Рассела в других волновых явлениях. И только когда были разработаны новые области физики – нелинейные акустика, радиофизика и оптика, – исследователи вспомнили о солитоне Рассела и задались вопросом: только ли в воде может наблюдаться подобное явление? Для этого надо было понять общий механизм образования солитона. Условие нелинейности оказалось необходимым, но недостаточным: от среды требовалось еще что-то, чтобы в ней смогла родиться “уединенная” волна. И в результате исследований стало ясно – недостающим условием оказалось наличие дисперсии среды.

Напомним кратко, что это такое. Дисперсией называется зависимость скорости распространения фазы волны (так называемой фазовой скорости) от частоты или, что то же самое, длины волны (см. “Наука и жизнь” № 2, 2000 г. ). Несинусоидальную волну любой формы по известной теореме Фурье можно представить совокупностью простых синусоидальных составляющих с различными частотами (длинами волн), амплитудами и начальными фазами. Эти составляющие из-за дисперсии распространяются с различными фазовыми скоростями, что приводит к “размыванию” формы волны при ее распространении. Но солитон, который тоже можно представить как сумму указанных составляющих, как мы уже знаем, при движении свою форму сохраняет. Почему? Вспомним, что солитон – волна нелинейная. И вот тут-то и лежит ключ к раскрытию его “тайны”. Оказывается, что солитон возникает тогда, когда эффект нелинейности, делающий “горб” солитона более крутым и стремящийся его опрокинуть, уравновешивается дисперсией, делающей его более пологим и стремящейся его размыть. То есть солитон возникает “на стыке” нелинейности и дисперсии, компенсирующих друг друга.

Поясним это на примере. Предположим, что на поверхности воды образовался горбик, который начал перемещаться. Посмотрим, что будет, если не учитывать дисперсию. Скорость нелинейной волны зависит от амплитуды (у линейных волн такой зависимости нет). Быстрее всех будет двигаться вершина горбика, и в некоторый следующий момент его передний фронт станет круче. Крутизна фронта увеличивается, и с течением времени произойдет “опрокидывание” волны. Подобное опрокидывание волн мы видим, наблюдая прибой на морском берегу. Теперь посмотрим, к чему приводит наличие дисперсии. Первоначальный горбик можно представить суммой синусоидальных составляющих с различными длинами волн. Длинноволновые составляющие бегут с большей скоростью, чем коротковолновые, и, следовательно, уменьшают крутизну переднего фронта, в значительной степени выравнивая его (см. “Наука и жизнь” № 8, 1992 г.). При определенной форме и скорости горбика может наступить полное восстановление первоначальной формы, и тогда образуется солитон.

Одно из удивительных свойств “уединенных” волн состоит в том, что они во многом подобны частицам. Так, при столкновении два солитона не проходят друг через друга, как обычные линейные волны, а как бы отталкиваются друг от друга подобно теннисным мячам.

На воде могут возникать солитоны и другого типа, названные групповыми, так как их форма весьма сходна с группами волн, которые в реальности наблюдаются вместо бесконечной синусоидальной волны и перемещаются с групповой скоростью. Групповой солитон весьма напоминает амплитудно-модулированные электромагнитные волны; его огибающая несинусоидальна, она описывается более сложной функцией – гиперболическим секансом. Скорость такого солитона не зависит от амплитуды, и этим он отличается от КдФ-солитонов. Под огибающей обычно находится не более 14-20 волн. Средняя – самая высокая – волна в группе оказывается, таким образом, в интервале от седьмой до десятой; отсюда известное выражение “девятый вал”.

Рамки статьи не позволяют рассмотреть многие другие типы солитонов, например солитоны в твердых кристаллических телах – так называемые дислокации (они напоминают “дырки” в кристаллической решетке и тоже способны перемещаться), родственные им магнитные солитоны в ферромагнетиках (например, в железе), солитоноподобные нервные импульсы в живых организмах и многие другие. Ограничимся рассмотрением оптических солитонов, которые в последнее время привлекли внимание физиков возможностью их использования в весьма перспективных линиях оптической связи.

Оптический солитон – типичный групповой солитон. Его образование можно уяснить на примере одного из нелинейно-оптических эффектов – так называемой самоиндуцированной прозрачности. Этот эффект заключается в том, что среда, поглощающая свет небольшой интенсивности, то есть непрозрачная, внезапно становится прозрачной при прохождении сквозь нее мощного светового импульса. Чтобы понять, почему это происходит, вспомним, чем обусловлено поглощение света в веществе.

Световой квант, взаимодействуя с атомом, отдает ему энергию и переводит на более высокий энергетический уровень, то есть в возбужденное состояние. Фотон при этом исчезает – среда поглощает свет. После того как все атомы среды возбуждаются, поглощение световой энергии прекращается – среда становится прозрачной. Но такое состояние не может длиться долго: фотоны, летящие следом, заставляют атомы возвращаться в исходное состояние, испуская кванты той же частоты. Именно это и происходит, когда через такую среду направляется короткий световой импульс большой мощности соответствующей частоты. Передний фронт импульса перебрасывает атомы на верхний уровень, частично при этом поглощаясь и становясь слабее. Максимум импульса поглощается уже меньше, а задний фронт импульса стимулирует обратный переход с возбужденного уровня на основной. Атом излучает фотон, его энергия возвращается импульсу, который и проходит через среду. При этом форма импульса оказывается соответствующей групповому солитону.

Совсем недавно в одном из американских научных журналов появилась публикация о ведущихся известной фирмой “Белл” (Bell Laboratories, США, штат Нью-Джерси) разработках передачи сигналов на сверхбольшие расстояния по оптическим волоконным световодам с использованием оптических солитонов. При обычной передаче по оптико-волоконным линиям связи сигнал должен подвергаться усилению через каждые 80-100 километров (усилителем может служить сам световод при его накачке светом определенной длины волны). А через каждые 500-600 километров приходится устанавливать ретранслятор, преобразующий оптический сигнал в электрический с сохранением всех его параметров, а затем вновь в оптический для дальнейшей передачи. Без этих мер сигнал на расстоянии, превышающем 500 километров, искажается до неузнаваемости. Стоимость этого оборудования очень высока: передача одного терабита (1012 бит) информации из Сан-Франциско в Нью-Йорк обходится в 200 миллионов долларов на каждую ретрансляционную станцию.

Использование оптических солитонов, сохраняющих свою форму при распространении, позволяет осуществить полностью оптическую передачу сигнала на расстояния до 5-6 тысяч километров. Однако на пути создания “солитонной линии” имеются существенные трудности, которые удалось преодолеть только в самое последнее время.

Возможность существования солитонов в оптическом волокне предсказал в 1972 году физик-теоретик Акира Хасегава, сотрудник фирмы “Белл”. Но в то время еще не было световодов с низкими потерями в тех областях длин волн, где можно наблюдать солитоны.

Оптические солитоны могут распространяться только в световоде с небольшим, но конечным значением дисперсии. Однако оптического волокна, сохраняющего требуемое значение дисперсии во всей спектральной ширине многоканального передатчика, просто не существует. А это делает “обычные” солитоны непригодными для использования в сетях с длинными линиями передачи.

Подходящая солитонная технология создавалась в течение ряда лет под руководством Линна Молленауэра, ведущего специалиста Отдела оптических технологий все той же фирмы “Белл”. В основу этой технологии легла разработка оптических волокон с управляемой дисперсией, позволившая создать солитоны, форма импульсов которых может поддерживаться неограниченно долго.

Метод управления состоит в следующем. Величина дисперсии по длине волоконного световода периодически изменяется между отрицательным и положительным значениями. В первой секции световода импульс расширяется и сдвигается в одном направлении. Во второй секции, имеющей дисперсию противоположного знака, происходят сжатие импульса и сдвиг в обратном направлении, в результате чего его форма восстанавливается. При дальнейшем движении импульс опять расширяется, затем входит в следующую зону, компенсирующую действие предыдущей зоны, и так далее – происходит циклический процесс расширений и сжатий. Импульс испытывает пульсацию по ширине с периодом, равным расстоянию между оптическими усилителями обычного световода – от 80 до 100 километров. В результате, по заявлению Молленауэра, сигнал при объеме информации более 1 терабита может пройти без ретрансляции по меньшей мере 5 – 6 тысяч километров со скоростью передачи 10 гигабит в секунду на канал без каких-либо искажений. Подобная технология сверхдальней связи по оптическим линиям уже близка к стадии реализации.

Эхолот что это? – Статьи: Эхолокация

Эхолот что это? Из чего состоит и как работает?

Эхолот использует звуковые волны, чтобы «видеть» в воде.

Эхолот — это гидролокатор, необходим для изучения и картографирования водных объектов. Поскольку звуковые волны распространяются в воде дальше, чем радарные и световые волны. В основном используют гидролокатор для разработки морских карт, определения подводных опасностей для навигации, поиска и картографирования объектов в толще воды и на дне, а также для рыбалки. Существует два типа гидролокаторов—активные и пассивные.

Активные преобразователи излучают в воду сигнал. Если объект находится на пути звукового импульса, звук отскакивает от объекта и возвращает “эхо” в гидроакустический преобразователь.

Пассивные используются в основном для обнаружения шума от морских объектов (таких как подводные лодки или корабли) и морских животных, таких как киты. Так как в отличии от активного гидролокатора, пассивный гидролокатор не излучает собственного сигнала, что является преимуществом для военных судов, которые не хотят быть обнаруженными, или для научных миссий, которые концентрируются на спокойном “прослушивании” океана.

Так же читайте: Назначение эхолота. Для чего используют?

Из чего состоит эхолот?

 

Эхолот состоит из дисплея и датчика.  

Датчик генерирует звуковые волны, отправляя их в толщу воды и получает эхо сигналы возвращающиеся обратно.

Дисплей оснащен компьютером, который обрабатывает полученную от датчика информацию. Он высчитывает и отображает полученную информацию от эхо сигналов, определяя расстояние и величину объекта.

 

Как работает система эхолота? 

Поскольку принципиально работа эхолокаторов практически одинакова, можно вкратце описать ее так. Электрические импульсы генерируются в приемопередатчике эхолота. Далее импульсы отправляются в преобразователь и на выходе получаются звуковые волны. Волны доходя до объекта в толще воды возвращаются эхом к датчику. Преобразователь производит обратную работу: звуковые волны — в электрический импульс. Компьютер, в свою очередь, вычисляет время между отправкой импульса и получением обратно, переводит данные в расстояние и выводит их на дисплей. И на экране мы видим рельеф дна, обнаруженные на дне объекты и рыбу.

Принцип работы одинаков, тем не менее отображение на эхолотах бывает разное. Например, флешер отображает полосы различной интенсивности для отображения глубины до отраженных объектов. А современные дисплеи эхолотов предоставляют информацию в виде картинки, на которой цифрами написана глубина.

 

Что такое датчик и как он работает? 

Датчик эхолота, он же трансдьюсер, является важнейшим элементом эхолота. Преобразователь трансформирует электрические импульсы в звуковые волны и обратно. Датчик не только посылает сигналы, но и затем принимает эхо отраженное от объектов в толще воды и дна. Благодаря этому эхолот «видит», что под водой. Причем датчик тратит около 1% своего времени на передачу и 99% на принятие эхо.

Как датчик выстраивает картину дна? 

Эхо одних звуковых волн возвращается быстрее, чем других, хотя все волны распространяются с одинаковой скоростью. Это говорит о том, что некоторые объекты ближе к датчику. Например, на абсолютно плоском дне, вдруг один из сигналов возвращается быстрее, и мы понимаем, что там камень или изменение рельефа дна.   Кстати, по отраженному сигналу мы можем сделать вывод о плотности объекта. Чем светлее и четче край объекта, тем он тверже. Мягкое илистое дно темнее с растушеванным не четким сигналом.

Как датчик эхолота определяет глубину? 

Датчик эхолота фиксирует время между передачей звукового сигнала и получением отраженного эхо сигнала. Далее компьютер рассчитывает расстояние до объектов. Время между передачей сигнала и получением эха умножают на скорость звука в воде. Звук проходит через воду со скоростью около 1500 метров в секунду.  Эхолот анализирует результат и отображает вычисленную глубину воды в цифрах пользователю.

И главное: как эхолот распознает рыбу?

У многих рыб есть плавательный пузырь. Его функция — обеспечение нулевой плавучести рыбы. Пузырь заполнен газом, дабы рыба не утонула под собственной тяжестью. На эхограмме видно отзвук от пузыря, так как его плотность отличается от плотности тела рыбы и плотности воды. Компьютер определяет разницу в полученных эхо сигналах и отражает их на дисплее. Причем, чем больше рыба, тем больший след останется на эхограмме.

 

 

 

 

Измерение скорости реакции человека на звуковые и световые сигналы

В индивидуальной ученической работе по физике на тему «Измерение скорости реакции человека на звуковые и световые сигналы» автор выясняет, зависит ли скорость реакции человека на световые сигналы от времени суток и утомляемости.

Подробнее о работе:


В рамках исследовательской работы по физике о скорости реакции человека на свет и звук дается справочная информация о скорости реакции человека, объясняется, чем ограничена скорость реакции человека, рассказывается, каким образом можно развить скорость реакции. В работе подробно описывается принцип измерения времени реакции человека на звуковые волны, выясняется, правда ли, что чем больше усталость, тем дольше реакция?

В ходе учебного исследовательского проекта по физике «Измерение скорости реакции человека на звуковые и световые сигналы» учащийся провел эксперимент по определению скорости реакции человека на световые и звуковые сигналы в дневное и вечернее время суток, сравнил результаты тестирования и пришел к определенному выводу по данному вопросу, с которым можно ознакомиться в тексте работы.

Оглавление

Введение
1. Скорость реакции человека.
1.2. Чем ограничена скорость реакции человека.
1.3. Как развить скорость реакции.
1.4. Измерение времени реакции человека на звуковые волны.
2. Исследование скорости реакции человека.
2.1. Результаты первого тестирования.
2.2. Результаты второго тестирования.
2.3. Итоги исследования.
Заключение
Список литературы

Введение


Скорость реакции является одним из основных качеств человека. В повседневной жизни мы постоянно сталкиваемся с внешними раздражителями разной степени воздействия. Важность скорости реакции на раздражения обусловлена разностью их влияния на человека. То есть, в разных ситуациях сила воздействия и реакция на него может различаться от незначительной до жизненно важной.

Актуальность моей работы в том, что реакция человека – это одна из самых важных качеств организма. В современном мире то, как человек реагирует на раздражители, зависит не только реализация его возможностей, здоровье, возможность справится с любой критической ситуацией, но иногда и жизнь самого человека. Поэтому, каждому человеку просто необходимо знать скорость реакции своего организма, контролировать его стабильность или даже повысить её.

Цель работы: определить скорость реакции человека на световые сигналы и анализ полученных данных.

Задачи работы:

  1. Найти и изучить литературу по скорости реакции человека;
  2. Провести исследование скорости реакции человека;
  3. Проанализировать результаты эксперимента;
  4. Сделать выводы по проделанной работе.

Предмет исследования: Скорость реакции сигнальной системы человека.

Объект исследования: Процесс измерения скорости реакции человека.

Методы исследования: Экспериментальный и анализ.

Гипотеза: время реакции человека зависит от времени суток, то есть от его утомляемости, чем больше утомляемость человека, тем больше время реакции.

Скорость реакции человека

Скорость реакции – это промежуток времени между раздражителем (свет, звук, и т. п.) и реакцией организма.

Скорость реакции человека на раздражители различается. Самая быстрая реакция получается в ответ на слуховые раздражители, более продолжительное – на световые и самое длинное – на обонятельные, вкусовые и температурные. Скорость реакции еще более зависит от сложности решаемой задачи.

Скоростью простой реакции называется время реакции на появление любого раздражителя, на каждый из которых требуется осуществлять одно и то же движение, например, на нажатие кнопки компьютерной мышки. Более медленная скорость реакции получается при сложных реакциях, когда на одни раздражители требуется реагировать движением, а на другие – воздерживаться от движений, или на разные раздражители реагировать несколькими различными движениями.

Самая быстрая скорость реакции у здорового взрослого человека приближается к 100 мс. У детей и у пожилых людей время реакции несколько медленнее, чем у взрослых лиц молодого и среднего возраста.

Чем ограничена скорость реакции человека

У человека средняя скорость реакции на световой сигнал составляет от 100 мс до 300 мс. Скорость реакции человека определяется работой нервной системы. Когда человек реагирует на очень сильное раздражение, опасное для жизни, например, когда отдергивает руку от горячего предмета – в действие вступает простой рефлекс, в котором головной мозг не принимает участия.

От рецептора сигнал идёт по нервному волокну в спинной мозг и затем сразу к мышце, проходя по трём типам нервных клеток – чувствительному нейрону, вставочному нейрону в спинном мозге и двигательному нейрону. Скорость нервного импульса по отросткам нервных клеток здесь – несколько десятков метров в секунду. Определяющим является время синаптической передачи – порядка 100мс.

Сперва человек отдергивает руку, а затем чувствует боль. Это связано с тем, что от болевых рецепторов в мозг сигнал идет по нервным волокнам другого типа с меньшей скоростью.

Если речь идет о реакции человека на летящий в него камень, то здесь тоже рефлекторная реакция. Глаз передает сигнал о быстром движении не только в отделы головного мозга, где они обрабатываются, но, и по специальным нервным путям – к мышцам, что обеспечивает быструю реакцию для ухода с линии поражения.

С физиологической точки зрения скорость реакции зависит от быстроты протекания следующих пяти фаз:

  • Возникновения возбуждения в рецепторе;
  • Передачи возбуждения в центральную нервную систему;
  • Перехода сигнальной информации по нервным путям, ее анализа и формирования эфферентного сигнала;
  • Проведения эфферентного сигнала от центральной нервной системы к мышце;
  • Возбуждения мышцы и появления в ней механизма активности.

Как развить скорость реакции


Ключевой секрет повышенной реакции – это способность в требуемый момент по максимуму сконцентрироваться. Но, к несчастью, наш организм не способен длительное время быть в состоянии высокой концентрации. Потому главная задача – это развить умение сменять периоды концентрации и отдыха.

Требуется уметь за долю секунды перейти из состояния покоя в состояние наивысшей концентрации. И после этого требуется по максимуму расслабиться, чтобы дать организму отдохнуть.

Скорость реакции важна во многих жизненных ситуациях, а развить ее не так сложно, как кажется на первый взгляд.

Специальные онлайн-тесты учат именно этому: максимуму концентрации и максимуму расслабления в нужный момент. Для улучшения скорости реакции потребуется сконцентрировать внимание только на конкретном объекте. Требуется забыть о всём, что вас окружает. Это сложно, но этому реально научиться.

Измерение времени реакции человека на звуковые сигналы

Самые ранние научные исследования того, сколько времени требуется человеку, чтобы среагировать на сигнал, были проведены в 1865 г. голландским физиологом Франциском Корнелием Дондерсом. При жизни он был более известен как офтальмолог, но тем не менее именно он сделал первые шаги в дисциплине, которая затем получила название ментальная хронометрия.

Дондерс измерял время реакции с помощью присоединения электрошокера к ступням испытуемых. Они максимально быстро реагировали на нажатие, и ключ электротелеграфа показывал, какая нога была под электрошокером. В одних экспериментах участников предупреждали, на какую ногу поступит сигнал, в других все происходило спонтанно. Измерив разницу между результатами первой и второй группы тестов, которая составила 0,066 с, Дондерс произвел первые подсчеты скорости ментальной реакции человека.

В примере, приведенном автором вопроса, когда используется стартовый пистолет, время, установленное Международной ассоциацией легкой атлетики, 0,1 с, не противоречит исследованиям Дондерса, округленным до десятой доли секунды. Итак, это кратчайшее время, за которое спортсмен, даже после долгих тренировок, может отреагировать на звук выстрела стартового пистолета. Если он реагирует быстрее, значит, он покинул колодки еще до того, как прозвучал выстрел.

По поводу времени реакции проводилось множество экспериментов. Большая часть из них делалась психологами, пытавшимися найти связь между временем реакции и интеллектом. Хотя небольшую корреляцию в этой области удалось найти Яну Деари, Джеффу Деру и Грему Форду из университетов Эдинбурга и Глазго, Великобритания, в 2001 г. , в целом вопрос все еще открыт.

Существует три главных подхода к измерению времени реакции. В простейшем из них, субъекту дается только один стимул и подразумевается однозначный ответ. Во втором типе, субъекту дается несколько стимулов и требуется реагировать на одни и игнорировать другие; и здесь существует только один правильный ответ.

И наконец, в экспериментах, касающихся времени наступления реакции на тот или иной выбор, участники должны дать различные ответы на разные стимулы: например, нажать на одну кнопку, если загорается красная лампочка, и на другую кнопку, если загорается зеленая.

При любом подходе испытуемые в нормальных условиях совершают несколько попыток. Учитывается среднее время, компенсирующее различия в попытках и дающее более надежный результат.

В конкретном случае со стартовым пистолетом время реакции спортсмена на звуковой раздражитель изучалось в течение долгого времени, и в итоге общепринятым является время реакции, составляющее приблизительно 0,16 с. Однако есть огромный разброс в показателях у разных людей, а также и в результатах одного человека, собранных в разное время.

Исследование времени реакции


Для проведения исследования скорости реакции, потребуется пятеро участников, в качестве испытуемых. А в качестве теста используем специализированный сайт для проверки (или тренировки) скорости реакции. Для выполнения теста требуется только наличие компьютера, подключения к интернету и компьютерной мыши.

Методика проведения теста заключается в том, что испытуемому требуется отреагировать на изменение цвета экрана нажатием кнопки мыши компьютера. Время реакции измеряется в миллисекундах (ms).

Чтобы выявить зависимость результатов времени реакции от утомляемости человека, сначала эксперименты были проведены в начале дня, а затем в конце.

Результаты первого тестирования

Рисунок 1. – Васильев М.

Рисунок 2. – Кондрашенков А.

Рисунок 3. – Мальцев С.

Рисунок 4. – Литвиненко А.

Рисунок 5. – Кузнецов А.

Результаты второго тестирования

Рисунок 6. – Васильев М.

Рисунок 7. – Кондрашенков А.

Рисунок 8. – Мальцев С.

Рисунок 9. – Литвиненко А.

Рисунок 10. – Кузнецов А.

Итоги исследования

Первое тестирование (Утром)

Кто обследован 1 попытка 2 попытка 3 попытка 4 попытка 5 попытка Средний результат
Васильев М. 192 мс 182 мс 178 мс 177 мс 189 мс 184 мс
Кондрашенков А. 190 мс 165 мс 188 мс 172 мс 180 мс 179 мс
Мальцев С. 187 мс 160 мс 193 мс 171 мс 178 мс 178 мс
Литвиненко А. 189 мс 176 мс 162 мс 173 мс 191 мс 178 мс
Кузнецов А. 174 мс 180 мс 196 мс 183 мс 194 мс 185 мс

Таблица 1. Среднее значение всех участников: 181 мс

Второе тестирование (Вечером)

Кто обследован 1 попытка 2 попытка 3 попытка 4 попытка 5 попытка Средний результат
Васильев М. 191 мс 202 мс 215 мс 197 мс 210 мс 203 мс
Кондрашенков А. 223 мс 214 мс 195 мс 217 мс 203 мс 210 мс
Мальцев С. 196 мс 207 мс 219 мс 224 мс 199 мс 209 мс
Литвиненко А. 197 мс 205 мс 236 мс 213 мс 216 мс 213 мс
Кузнецов А. 230 мс 238 мс 218 мс 204 мс 223 мс 223 мс

Таблица 2. Среднее значение всех участников: 212 мс

По статистике среднее время реакции у человека на визуальный сигнал составляет: 100 мс до 300 мс. При измерении скорости реакции участников эксперимента было выяснено, что у многих участников скорость реакции – хорошая.

Исследования показали, что у большинства участников эксперимента вечером, скорость реакции замедлилась, т.е. проявляется заторможенность действий.

Заключение

Гипотеза, что время реакции человека зависит от времени суток, то есть от его утомляемости, подтвердилась.

По результатам тестирования можно сделать вывод, что скорость реакции у всех людей разная и может зависеть от утомляемости, особенностей нервной системы, эмоциональных и психических характеристиками человека, но её можно натренировать при должном желании и усердии. Но при достижении максимально возможного предела, который заложен вашей генетикой, время реакции становится постоянным.

Поставленные задачи полностью выполнены.

Для написания данной работы были использованы ресурсы Сети Интернет


Если страница Вам понравилась, поделитесь в социальных сетях:

Аппаратное обеспечение вычислительных систем- ответы МФПУ Синергия. Заказ любых студенческих работ по выгодным ценам ‎| Биржа студенческих работ

Устройства, подключаемые к системному блоку, называются …
устройствами сопряжения
внешними устройствами
периферийными устройствами
интерфейсными устройствами

Монитор, если разрешение установлено в 1280х960, может отобразить … точек по вертикали
1280
960
1228800

Процесс тестирования и определения параметров IBM-совместимого персонального компьютера при включении называется
FSB
VRM
BIOS
POST

Количество сигналов в минуту, посылаемых видеоадаптером монитору в определенном режиме – это …
быстродействие
частота
резкость
мерцание

Разрешающая способность принтера определяет …
скорость печати (страниц в минуту)
количество точек на один квадратный дюйм (dpi)
цветовые возможности принцип действия

Сравнивая понятия «дорожка» и «сектор», можно сказать, что …
каждый сектор состоит из 512 дорожек
каждая дорожка состоит из секторов
дорожка – это разновидность сектора это одно и то же

Интерактивные источники бесперебойного питания …
переключается на режим питания от батарей при полном отказе электросети
прогоняют всю поступающую электроэнергию через свою батарею фильтруют поступающее в них напряжение
только на входе фильтруют напряжение только при выдаче на подключенные устройства

Проблемно ориентированные компьютеры предназначены для решения …
самых различных инженерно-технических, экономических, математических, информационных и других задач
определенного круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами, с регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных
узкого круга задач или реализации ст

Вычислительная сеть предприятия, использующая инфраструктуру сети Интернет, называется …
региональной вычислительной сетью сетью интранет (копроративной сетью) глобальной вычислительной сетью
локальной вычислительной сетью

Самым маленьким является вертикальный тип корпуса системного блока …
MiddleTower
BigTower
MidiTower
MiniTower

Сравнивая скорость движения световых и звуковых волн, можно утверждать, что …
быстрее движутся световые волны
быстрее движутся звуковые волны световые и звуковые волны
движутся с одинаковой скоростью

Современные суперЭВМ могут обслуживать … рабочих станций
не более 100
не более 1000
не более 5 000
более 10 000

… используется для мобильной радиотелефонии (включая сотовую связь)
Радиомодем
Сетевой модем
Кабельный модем
Сотовый модем

Основной стандарт сжатия видеоинформации для DVD-дисков …
MPEG-2
PCM AC-3
Отсутствует

Одним байтом информации можно закодировать …
1 цвет 64 различных цвета
256 различных цветов
512 различных цветов

Самая высокая скорость печати и цена у …
литерных
матричных
струйных
лазерных

Архитектура Dataflow представляет собой …
систему параллельной обработки информации на основе асинхронного управления
вычислительную систему, в которой команда может выполняться сразу же, как только вычислены необходимые операнды
множество процессоров, объединенных регулярным образом вычислительную систему, в которой процессоры объединяются в модули и фиксируются связи,

… сканеры по взаимодействию с ними пользователя напоминают устройство мышь
Барабанные
Планшетные
Ручные

Основной стандарт сжатия видеоинформации для CD-дисков …
MPEG-2
PCM AC-3
Отсутствует

Длина слова оперативной памяти современных компьютеров составляет …
от 8 до 16 бит
от 16 до 64 бит
от 64 до 128 бит
от 128 до 256 бит

Минимальное количество видеостраниц для получения качественной анимации равно
1
2
3
4

Амплитуда звуковой волны ассоциируется с … звука
частотой
тоном
высотой
громкостью

В многопроцессорных вычислительных системах …
параллельная работа процессоров осуществляется под управлением общей операционной системы
управление всеми процессорами осуществляется с выделенного компьютера – сервера общей сетевой операционной системой каждый процессор сохраняет возможность автономной работы и управляется собственной ОС головной процессор осуществляет упр

Объем кеш-памяти второго уровня современных процессоров для IBM-совместимых персональных компьютеров составляет …
от 32 до 64 КБ
от 64 до 128 КБ
от 128 до 256 КБ
от 256 КБ до 2 МБ

Длина волны лазера, используемого в технологии Blu-Ray, – …
630 нм
470 нм
405 нм

При самостоятельной сборке персонального компьютера в первую очередь выбирается …
процессор
материнская
плата
монитор
корпус

Неверно, что … находится внутри системного блока
накопитель на дисках
микропроцессор
блок питания
контроллер
Информационно-вычислительная система, в которой выполняется дистанционная централизованная обработка данных, поступающих в центр обработки по каналам связи, называется …

Звук в 8 децибел громче звука в 6 децибел …
в 2 раза
в 20 раз
в 100 раз
в 200 раз

“Привычные помехи в сетях мы используем для создания революционных микрочипов”

Группа ученых из Австралии и США опубликовала исследование о возможностях применения вынужденного рассеяния Мандельштама — Бриллюэна, неизбежного артефакта передачи данных по оптоволоконным сетям, для создания электронных устройств нового поколения.

Волоконно-оптические кабели — артерии современных технологий, тянущиеся по дну океанов на 1,2 млн км. Когда информация проносится по ним туда и сюда, волны света отскакивают от внутренних стенок из полимеров и кремния. Эта энергия воздает крошечные колебания, фононы, которые образуют звуковые волны, а те, в свою очередь, мешают движению волн света. Эти помехи называются рассеянием Мандельштама — Бриллюэна, рассказывает Popular Mechanics.

Оно было открыто в 1922 и создавало немало проблем для волоконно-оптических сетей, уменьшая мощность сигнала. Но очень скоро об этом можно будет забыть — этот эффект начнет приносить пользу. По мнению профессора Бена Эгглтона из Университета Сиднея, в ближайшем будущем мы можем стать свидетелями революции в изучении взаимодействия света и звука.

Процесс изучения так называемого вынужденного рассеяния Мандельштама — Бриллюэна (SBS) начался в 60-х — 70-х годах прошлого века. По сути, это петля обратной связи фононов и фотонов. Во время этого процесса звуковые и световые волны связываются, даже несмотря на то, что волны света намного быстрее.

Преимущество этого явления — возможность синхронного контроля волн света и звука в очень маленьком масштабе, объясняют ученые.

Сейчас контролировать эти волны сложно, не в последнюю очередь потому, что два типа волн отличаются по скорости. Однако большой прогресс в теории и практике, говорится в статье, позволит решить эту проблему и использовать рассеяние Мандельштама — Бриллюэна на одном микрочипе. Выгода такого подхода проявится в трех важнейших параметрах — размере, весе и мощности чипа.

«По мере возрастания важности оптических данных процесс взаимодействия света с микроэлектроникой становится все проблематичнее, — сказал профессор Эгглтон. — Процесс вынужденного рассеяния Бриллюэна предлагает нам совершенно иной путь интеграции оптической информации в среду микрочипа при помощи звуковых волн как буфера, замедляющего данные без тепла, которое выделяют электронные системы. Далее, интегральные схемы с SBS дают возможность заменять компоненты в системах полета и навигации, которые могут быть в 100 или 1000 раз тяжелее».

Впрочем, до того ученым предстоит много работы. В первую очередь, им придется построить архитектуру, которая интегрирует микроволновые и радиочастотные процессоры с оптико-акустическими взаимодействиями. Затем нужно будет разобраться с нежелательным световым рассеянием и возможностью работы в условиях, отличных от почти абсолютного нуля. Кроме того, нужно повысить гибкость кабелей.     

hightech.plus

Что быстрее скорости света – Мастерок.жж.рф — LiveJournal

Верхний предел скорости известен даже школьникам: связав массу и энергию знаменитой формулой, Альберт Эйнштейн еще в начале ХХ века указал на принципиальную невозможность ничему, обладающему массой, перемещаться в пространстве быстрее, чем скорость света в вакууме. Однако уже в этой формулировке содержатся лазейки, обойти которые вполне по силам некоторым физическим явлениям и частицам.

По крайней мере, явлениям, существующим в теории.

Первая лазейка касается слова «масса»: на безмассовые частицы эйнштейновские ограничения не распространяются. Не касаются они и некоторых достаточно плотных сред, в которых скорость света может быть существенно меньше, чем в вакууме. Наконец, при приложении достаточной энергии само пространство может локально деформироваться, позволяя перемещаться так, что для наблюдателя со стороны, вне этой деформации, движение будет происходить словно быстрее скорости света.

Некоторые такие «сверхскоростные» явления и частицы физики регулярно фиксируют и воспроизводят в лабораториях, даже применяют на практике, в высокотехнологичных инструментах и приборах. Другие, предсказанные теоретически, ученые еще пытаются обнаружить в реальности, а на третьи у них большие планы: возможно, когда-нибудь эти явления позволят и нам перемещаться по Вселенной свободно, не ограничиваясь даже скоростью света.

Квантовая телепортация

Телепортация живого существа – хороший пример технологии, теоретически допустимой, но практически, видимо, неосуществимой никогда. Но если речь идет о телепортации, то есть мгновенном перемещении из одного места в другое небольших предметов, а тем более частиц, она вполне возможна. Чтобы упростить задачу, начнем с простого – частиц.

Кажется, нам понадобятся аппараты, которые (1) полностью пронаблюдают состояние частицы, (2) передадут это состояние быстрее скорости света, (3) восстановят оригинал.

Однако в такой схеме даже первый шаг полностью реализовать невозможно. Принцип неопределенности Гейзенберга накладывает непреодолимые ограничения на точность, с которой могут быть измерены «парные» параметры частицы. Например, чем лучше мы знаем ее импульс, тем хуже – координату, и наоборот. Однако важной особенностью квантовой телепортации является то, что, собственно, измерять частицы и не надо, как не надо ничего и восстанавливать – достаточно получить пару спутанных частиц.

Например, для приготовления таких спутанных фотонов нам понадобится осветить нелинейный кристалл лазерным излучением определенной волны. Тогда некоторые из входящих фотонов распадутся на два спутанных – необъяснимым образом связанных, так что любое изменение состояния одного моментально сказывается на состоянии другого. Эта связь действительно необъяснима: механизмы квантовой спутанности остаются неизвестны, хотя само явление демонстрировалось и демонстрируется постоянно. Но это такое явление, запутаться в котором в самом деле легко – достаточно добавить, что до измерения ни одна из этих частиц не имеет нужной характеристики, при этом какой бы результат мы ни получили, измерив первую, состояние второй странным образом будет коррелировать с нашим результатом.

Механизм квантовой телепортации, предложенный в 1993 году Чарльзом Беннеттом и Жилем Брассардом, требует добавить к паре запутанных частиц всего одного дополнительного участника – собственно, того, кого мы собираемся телепортировать. Отправителей и получателей принято называть Алисой и Бобом, и мы последуем этой традиции, вручив каждому из них по одному из спутанных фотонов. Как только они разойдутся на приличное расстояние и Алиса решит начать телепортацию, она берет нужный фотон и измеряет его состояние совместно с состоянием первого из спутанных фотонов. Неопределенная волновая функция этого фотона коллапсирует и моментально отзывается во втором спутанном фотоне Боба.

К сожалению, Боб не знает, как именно его фотон реагирует на поведение фотона Алисы: чтобы понять это, ему надо дождаться, пока она пришлет результаты своих измерений обычной почтой, не быстрее скорости света. Поэтому никакую информацию передать по такому каналу не получится, но факт останется фактом. Мы телепортировали состояние одного фотона. Чтобы перейти к человеку, остается масштабировать технологию, охватив каждую частицу из всего лишь 7000 триллионов триллионов атомов нашего тела, – думается, от этого прорыва нас отделяет не более, чем вечность.

Однако квантовая телепортация и спутанность остаются одними из самых «горячих» тем современной физики. Прежде всего потому, что использование таких каналов связи обещает невзламываемую защиту передаваемых данных: чтобы получить доступ к ним, злоумышленникам понадобится завладеть не только письмом от Алисы к Бобу, но и доступом к спутанной частице Боба, и даже если им удастся до нее добраться и проделать измерения, это навсегда изменит состояние фотона и будет сразу же раскрыто.

Эффект Вавилова – Черенкова

Этот аспект путешествий быстрее скорости света – приятный повод вспомнить заслуги российских ученых. Явление было открыто в 1934 году Павлом Черенковым, работавшим под руководством Сергея Вавилова, три года спустя оно получило теоретическое обоснование в работах Игоря Тамма и Ильи Франка, а в 1958 г. все участники этих работ, кроме уже скончавшегося Вавилова, были награждены Нобелевской премией по физике.

В самом деле, теория относительности говорит лишь о скорости света в вакууме. В других прозрачных средах свет замедляется, причем довольно заметно, в результате чего на их границе с воздухом можно наблюдать преломление. Коэффициент преломления стекла равен 1,49 – значит, фазовая скорость света в нем в 1,49 раза меньше, а, например, у алмаза коэффициент преломления уже 2,42, и скорость света в нем снижается более чем в два раза. Другим частицам ничто не мешает лететь и быстрее световых фотонов.

Именно это произошло с электронами, которые в экспериментах Черенкова были выбиты высокоэнергетическим гамма-излучением со своих мест в молекулах люминесцентной жидкости. Этот механизм часто сравнивают с образованием ударной звуковой волны при полете в атмосфере на сверхзвуковой скорости. Но можно представить и как бег в толпе: двигаясь быстрее света, электроны проносятся мимо других частиц, словно задевая их плечом – и на каждый сантиметр своего пути заставляя сердито излучать от нескольких до нескольких сотен фотонов.

Вскоре такое же поведение было обнаружено и у всех других достаточно чистых и прозрачных жидкостей, а впоследствии излучение Черенкова зарегистрировали даже глубоко в океанах. Конечно, фотоны света с поверхности сюда действительно не долетают. Зато сверхбыстрые частицы, которые вылетают от небольших количеств распадающихся радиоактивных частиц, время от времени создают свечение, возможно, худо-бедно позволяющее видеть местным жителям.

Излучение Черенкова – Вавилова нашло применение в науке, ядерной энергетике и смежных областях. Ярко светятся реакторы АЭС, битком набитые быстрыми частицами. Точно измеряя характеристики этого излучения и зная фазовую скорость в нашей рабочей среде, мы можем понять, что за частицы его вызвали. Черенковскими детекторами пользуются и астрономы, обнаруживая легкие и энергичные космические частицы: тяжелые невероятно трудно разогнать до нужной скорости, и излучения они не создают.

Пузыри и норы

Вот муравей ползет по листу бумаги. Скорость его невелика, и на то, чтобы добраться от левого края плоскости до правого, у бедняги уходит секунд 10. Но стоит нам сжалиться над ним и согнуть бумагу, соединив ее края, как он моментально «телепортируется» в нужную точку. Нечто подобное можно проделать и с нашим родным пространством-временем, с той лишь разницей, что изгиб требует участия других, невоспринимаемых нами измерений, образуя туннели пространства-времени, – знаменитые червоточины, или кротовые норы.

Кстати, согласно новым теориям, такие кротовые норы – это некий пространственно-временной эквивалент уже знакомого нам квантового феномена запутанности. Вообще, их существование не противоречит никаким важным представлениям современной физики, включая общую теорию относительности. Но вот для поддержания такого туннеля в ткани Вселенной потребуется нечто, мало похожее на настоящую науку, – гипотетическая «экзотическая материя», которая обладает отрицательной плотностью энергии. Иначе говоря, это должна быть такая материя, которая вызывает гравитационное… отталкивание. Трудно представить, что когда-нибудь эта экзотика будет найдена, а тем более приручена.

Своеобразной альтернативой кротовым норам может служить еще более экзотическая деформация пространства-времени – движение внутри пузыря искривленной структуры этого континуума. Идею высказал в 1993 году физик Мигеле Алькубьерре, хотя в произведениях фантастов она звучала намного раньше. Это как космический корабль, который движется, сжимая и сминая пространство-время перед своим носом и снова разглаживая его позади. Сам корабль и его экипаж при этом остаются в локальной области, где пространство-время сохраняет обычную геометрию, и никаких неудобств не испытывают. Это прекрасно видно по популярному в среде мечтателей сериалу «Звездный путь», где такой «варп-двигатель» позволяет путешествовать, не скромничая, по всей Вселенной.

Тахионы

Фотоны – частицы безмассовые, как и нейтрино и некоторые другие: их масса в покое равна нулю, и чтобы не исчезнуть окончательно, они вынуждены всегда двигаться, и всегда – со скоростью света. Однако некоторые теории предполагают существование и куда более экзотических частиц – тахионов. Масса их, фигурирующая в нашей любимой формуле E = mc2, задается не простым, а мнимым числом, включающим особый математический компонент, квадрат которого дает отрицательное число. Это очень полезное свойство, и сценаристы любимого нами сериала «Звездный путь» объясняли работу своего фантастического двигателя именно «обузданием энергии тахионов».

В самом деле, мнимая масса делает невероятное: тахионы должны терять энергию, ускоряясь, поэтому для них все в жизни обстоит совсем не так, как мы привыкли думать. Сталкиваясь с атомами, они теряют энергию и ускоряются, так что следующее столкновение будет еще более сильным, которое отнимет еще больше энергии и снова ускорит тахионы вплоть до бесконечности. Понятно, что такое самоувлечение просто нарушает базовые причинно-следственные зависимости. Возможно, поэтому изучают тахионы пока лишь теоретики: ни единого примера распада причинно-следственных связей в природе пока никто не видел, а если вы увидите, ищите тахион, и Нобелевская премия вам обеспечена.

Однако теоретики все же показали, что тахионы, может, и не существуют, но в далеком прошлом вполне могли существовать, и, по некоторым представлениям, именно их бесконечные возможности сыграли важную роль в Большом взрыве. Присутствием тахионов объясняют крайне нестабильное состояние ложного вакуума, в котором могла находиться Вселенная до своего рождения. В такой картине мира движущиеся быстрее света тахионы – настоящая основа нашего существования, а появление Вселенной описывается как переход тахионного поля ложного вакуума в инфляционное поле истинного. Стоит добавить, что все это вполне уважаемые теории, несмотря на то, что главные нарушители законов Эйнштейна и даже причинно-следственной связи оказываются в ней родоначальниками всех причин и следствий.

Скорость тьмы

Если рассуждать философски, тьма – это просто отсутствие света, и скорости у них должны быть одинаковые. Но стоит подумать тщательнее: тьма способна принимать форму, перемещающуюся куда быстрее. Имя этой формы – тень. Представьте, что вы показываете пальцами силуэт собаки на противоположной стене. Луч от фонаря расходится, и тень от вашей руки становится намного больше самой руки. Достаточно малейшего движения пальца, чтобы тень от него на стене сместилась на заметное расстояние. А если мы будем отбрасывать тень на Луну? Или на воображаемый экран еще дальше?..

Едва заметное мановение – и она перебежит с любой скоростью, которая задается лишь геометрией, так что никакой Эйнштейн ей не указ. Впрочем, с тенями лучше не заигрываться, ведь они легко обманывают нас. Стоит вернуться в начало и вспомнить, что тьма – это просто отсутствие света, поэтому никакой физический объект при таком движении не передается. Нет ни частиц, ни информации, ни деформаций пространства-времени, есть только наша иллюзия того, что это отдельное явление. В реальном же мире никакая тьма не сможет сравниться в скорости со светом.

[источники]источники
naked-science.ru
http://animalworld.com.ua/news/5-veshhej-bystreje-sveta

Вопрос: Что распространяется быстрее света или звуковых волн со скоростью

Скорость света при его перемещении по воздуху и пространству намного выше скорости звука; он движется со скоростью 300 миллионов метров в секунду или 273 400 миль в час.

Звуковые волны распространяются быстрее света?

Скорость звука в воздухе составляет около 340 метров в секунду. В воде быстрее, а в стали еще быстрее. Свет будет проходить через вакуум со скоростью 300 миллионов метров в секунду.Никакая информация не может распространяться быстрее скорости света.

Почему скорость света больше скорости звука?

Свет распространяется намного быстрее звука, отчасти потому, что ему не нужно проходить через среду.

Что быстрее скорость или свет?

Свет будет путешествовать в вакууме со скоростью 300 миллионов метров в секунду. Так что это совершенно разные шкалы. Никакая информация не может распространяться быстрее скорости света. Если у вас есть свет, проходящий через среду, он может двигаться медленнее.

Что быстрее скорости звука?

Да, ветер может двигаться быстрее скорости звука. Ветер — это всего лишь объемное движение массы воздуха в пространстве, и в принципе он ничем не отличается от несущегося поезда или кометы, проносящейся сквозь пространство.

Может ли звук распространяться быстрее?

Ученые открыли максимально возможную скорость звука — 22 мили (36 километров) в секунду. Звуковые волны распространяются с разной скоростью в твердых телах, жидкостях и газах, а также внутри этих состояний вещества — например, в более теплых жидкостях они распространяются быстрее, чем в более холодных.

Во сколько раз скорость света превышает скорость звука?

Стандартной метрикой скорости света является скорость света, движущегося в вакууме. Эта постоянная, известная как с, составляет примерно 186 000 миль в секунду, или примерно в миллион раз превышает скорость звука в воздухе.

С какой скоростью движется свет?

Свет от стационарного источника распространяется со скоростью 300 000 км/сек (186 000 миль/сек).

Какая скорость самая высокая?

1 079 252 848,8 км/ч Максимальная скорость Самая высокая возможная скорость во Вселенной — это скорость света.Это достигается только самим светом и другими формами электромагнитного излучения, такими как радиоволны. При путешествии в вакууме скорость света достигает пика 299 792 458 м/сек (983 571 056 футов/сек).

Когда звук распространялся быстрее всего медленнее?

Скорость звука зависит от среды, в которой он транспортируется. Звук быстрее всего распространяется через твердые тела, медленнее через жидкости и медленнее всего через газы. Помимо слуха, мы также можем видеть и чувствовать звуки, как в примерах ниже.

Почему радиоволны распространяются быстрее звуковых волн?

, потому что звуковые волны могут распространяться только как волны давления в среде, тогда как радиоволны распространяются сами по себе даже в вакууме.

Свет быстрее тьмы?

Большинство из нас уже знают, что тьма — это отсутствие света, и что свет распространяется с максимально возможной скоростью для физического объекта. Короче говоря, это означает, что в тот момент, когда уходит свет, возвращается тьма. В этом отношении тьма имеет ту же скорость, что и свет.

Что-нибудь движется быстрее света?

Нет. Универсальный предел скорости, который мы обычно называем скоростью света, является фундаментальным для того, как работает Вселенная. Следовательно, это говорит нам о том, что ничто не может двигаться быстрее скорости света по той простой причине, что пространство и время на самом деле не существуют за пределами этой точки.

Что движется со скоростью звука?

твердых частиц Звуковые измерения Звуковая частота AF Потери при передаче TL v t e.

Могут ли люди путешествовать со скоростью света?

Так сможем ли мы когда-нибудь путешествовать со скоростью света? Основываясь на нашем нынешнем понимании физики и границ мира природы, ответ, к сожалению, отрицательный. Таким образом, путешествия со скоростью света и со скоростью, превышающей скорость света, физически невозможны, особенно для всего, что имеет массу, например для космических кораблей и людей.

Молния быстрее скорости света?

Средняя скорость молнии не так высока, как скорость света, которая составляет 299 792 458 метров в секунду.

Какая звуковая волна самая быстрая?

Звук распространяется с разной скоростью в зависимости от того, через что он проходит. Из трех сред (газ, жидкость и твердое тело) звуковые волны медленнее всего распространяются через газы, быстрее через жидкости и быстрее всего через твердые тела.

Где звуковые волны распространяются быстрее всего?

Звуковые волны можно описать длиной волны и частотой волн. Звук распространяется быстрее через твердые тела, чем через жидкости и газы, потому что молекулы твердого тела расположены ближе друг к другу и, следовательно, могут быстрее передавать колебания (энергию).

Звук распространяется быстрее, медленнее или с той же скоростью в твердом теле по сравнению с жидкостью?

Скорость звука выше в твердых материалах и ниже в жидкостях или газах. На скорость звуковой волны влияют два свойства вещества: упругие свойства и плотность.

Во сколько раз быстрее распространяются световые волны по сравнению со звуковыми quizlet?

Свет движется почти в миллион раз быстрее звука. Звук распространяется со скоростью около 330 метров в секунду, а свет распространяется со скоростью 300 миллионов метров в секунду.

В чем разница между скоростью света и скоростью звука?

Скорость света намного выше скорости звука в воздухе. Если хотите сравнить, скорость звука в воздухе ~ 343 м/с, а скорость света 3×10 10 м/с. Другими словами, свет проходит 186 тысяч миль за 1 секунду, а звуку требуется почти 5 секунд, чтобы пройти 1 милю.

С какой скоростью распространяется звук в милях в час?

Если мы рассмотрим атмосферу в обычный день при статических условиях на уровне моря, скорость звука составит около 761 мили в час или 1100 футов в секунду.

Что, если бы скорость света была бесконечной?

Если бы скорость света была бесконечной, все точки во Вселенной могли бы общаться друг с другом мгновенно. Мы не смогли бы сказать, какие звезды дальше или старше и т. д. Наша Вселенная была бы одной мгновенной здесь и сейчас. Без прошлого, без настоящего и без будущего.

Что сказал Эйнштейн о скорости света?

Эйнштейн предположил, что если бы что-то могло двигаться со скоростью, превышающей скорость света, оно нарушило бы фундаментальные физические законы, будучи в состоянии наблюдать, условно говоря, стационарную электромагнитную волну.Таким образом, чтобы его теория относительности работала, он предположил, что скорость света должна оставаться постоянной.

световых волн! – Веселые дети


Но в отличие от звуковых волн, световые волны могут проходить через пустое пространство. Именно так мы можем видеть звезды, даже если они находятся за миллиарды миль от нас. Световые волны также распространяются намного быстрее, чем звуковые волны, фактически триста миллионов километров в секунду! Вот почему вы видите молнию раньше, чем слышите взрыв.

Давайте представим эти световые волны, несущиеся со сверхскоростями, быстрее, чем что-либо еще во Вселенной. Что происходит, когда они встречают объект? Ну, если объект черный, то весь свет будет поглощаться. А если объект блестящий, слегка окрашенный или отражающий, то большая часть света будет отражаться обратно, так мы можем видеть себя в зеркале или на блестящих поверхностях.

Свет вокруг нас белый, но он содержит много разных цветов. Когда белый свет падает на определенные объекты, такие как прозрачные стеклянные призмы или даже капли дождя, иногда вы можете увидеть их сразу несколько, как радугу! В спектре семь цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий, индиго и фиолетовый.

Есть три основных цвета: светлый, красный, зеленый и синий. Когда свет этих цветов складывается вместе, они образуют вторичные цвета. Например, когда вы смешиваете красный и зеленый свет вместе, вы получаете желтый. Но когда вы складываете все три основных цвета вместе, вы получаете «белый свет».

Когда свет падает на поверхность, часть его поглощается, а часть отражается обратно. Отраженный свет является цветом объекта в этом свете. Итак, синий предмет, например ваши джинсы, поглощает все цвета, кроме синего, потому что он отражает синий свет.

А вот еще кое-что, о чем вы могли не знать! Свет, падающий на предметы, также может изменить их цвет. Если вы наденете на ночь фонарь из синего целлофана, все в вашей комнате будет выглядеть голубым. И если вы посмотрите на зеленую машину на улице под оранжевым фонарем, она может сильно отличаться от того, как она выглядит при дневном свете.

Это потому, что в свете, падающем на машину, отсутствуют некоторые цвета, и поэтому, даже если машина может отражать их, в определенных ситуациях это невозможно.Цвет изменился. Выключите свет вообще, и все погаснет!

Итак, вы можете видеть, что световые волны помогают формировать наш мир, помогая нам видеть и ощущать цвета!

Нажмите ниже, чтобы узнать все о волнах!

[связанный тег=”worldofwaves”]

Итак, вы хотите знать о… волнах? при поддержке Института физики

Скорость звука и что будет, если нарушить «ограничение скорости»

«Ракета летит в космос со скоростью звука. Если он будет двигаться еще быстрее, быстрее света, он взорвется».

Посетитель WonderDome, 8 лет.

 

Что быстрее, звук или свет? Вы можете легко ответить на этот вопрос, просто наблюдая за ударом молнии: вы всегда сначала ее увидите, потом услышите, а не наоборот! Но как быстро может распространяться звук? И может ли что-нибудь пойти еще быстрее? Давайте исследовать!

Скорость звука

Скорость звука — это… ну… скорость, с которой звуковые волны распространяются через среду, такую ​​как воздух, вода или твердые тела.Как вы понимаете, величина скорости звука зависит от того, через какую среду проходит звук: в жидкостях он движется быстрее, а в газах медленнее.

Следовательно, «скорость звука» не является фиксированным числом! Когда мы говорим о скорости звука  , мы обычно имеем в виду звук, распространяющийся по воздуху . Скорость звука в воздухе при температуре 20 градусов на уровне моря составляет 767 миль в час. Это довольно быстро!

Исаак Ньютон первым измерил скорость звука в воздухе в 1686 году.Он хлопнул в ладоши в коридоре Тринити-колледжа в Кембридже и отметил, сколько времени ему понадобилось, чтобы услышать Эко. Измерив длину коридора, Ньютон легко вычислил, с какой скоростью распространяется звук. Его расчеты отличались примерно на 15% от современной стоимости. Хорошая работа, Ньютон!

Быстрее звука?

Поскольку скорость звука имеет конечную (и не такую ​​уж и большую) величину, теоретически объект, издающий этот звук, может догнать собственный «шум» и даже двигаться быстрее.

Однако в течение довольно долгого времени многие исследователи считали, что для таких объектов, как самолет или автомобиль, переход на звуковую и сверхзвуковую скорость, то есть достижение скорости звука и перемещение быстрее звука, физически невозможен.

Почему?

Возьмем, к примеру, самолет. Самолет издает много шума, верно? Звуковые волны от самолета распространяются во всех направлениях, впереди самолета, позади него и в стороны. По мере того, как самолет летит быстрее, он начинает догонять его волны.Когда скорость самолета приближается к скорости излучаемых им звуковых волн, волны начинают накапливаться. Это приводит к повышенному атмосферному давлению и лобовому сопротивлению, что, в свою очередь, сильно затрудняет дальнейшее ускорение. Чтобы «пробить» так называемый скоростной барьер и опередить звуковые волны, нужна особая конструкция самолета и техника полета. Первым человеком, который сделал это, был американский летчик-испытатель Чак Йегер. Он преодолел звуковой барьер 14 октября 1947 года на самолете Bell X-1.

Сверхзвуковые вещи

 

 

В настоящее время сверхзвуковые самолеты используются только в военных и исследовательских целях. До недавнего времени было два коммерческих сверхзвуковых самолета, Конкорд и Ту-144, но с тех пор, как они ушли на пенсию, мы, простые люди, летаем только на дозвуковых скоростях. В некоторых странах, например в США, самолету запрещено законом летать со скоростью, превышающей скорость звука, из-за звукового удара. Сейчас ученые работают над прототипом бесшумного сверхзвукового самолета, а законодатели США изучают вопрос о возвращении сверхзвуковых пассажирских рейсов.Да, пожалуйста!

 

 

Космические ракеты выходят на сверхзвук в самом начале полета: в течение нескольких секунд для беспилотных полетов и в течение минуты для пилотируемых полетов.

 

 

Феликс Баумгартнер, парашютист из Австрии, достиг сверхзвуковой скорости во время своего знаменитого сверхзвукового свободного падения в 2012 году. Если вы думаете о том, чтобы попробовать это самостоятельно, имейте в виду, что вам понадобится воздушный шар и скафандр.

На данный момент ThrustSSC — единственный сверхзвуковой автомобиль, преодолевший скоростной барьер на суше! В настоящее время автомобиль выставлен в Музее транспорта Ковентри.

Сверхзвуковой-да, но сверхсветовой?

Маленький посетитель, которого мы цитировали в начале этого поста, был неправ: хотя ракеты преодолевают скоростной барьер в начале полета (и снова при входе в атмосферу), они должны лететь намного быстрее скорости звука, в 20 раз быстрее, чтобы попасть в космос. Все-таки ни одна космическая ракета не может разогнаться до 300 000 километров в секунду, с такой скоростью распространяется свет. Физики говорят нам, что любой объект с массой, будь то ракета, автомобиль или человек, просто не может двигаться со скоростью света.Таким образом, единственное, что сломает ракета, если она когда-нибудь станет сверхсветовой (т. е. быстрее света), — это фундаментальные законы физики!

Хотите узнать больше о звуке, свете и космических путешествиях?

Посетите наш надувной звездный купол, следите за нашими новыми постами в блоге о космосе или просто задавайте свои вопросы нашей знающей команде переносных планетариев.

Пожалуйста, подпишитесь на нас и поставьте лайк:

Удар молнии

Воздух – это газ, очень важный имущество любого газа является скорость звука через газ. скорость “звука” на самом деле скорость передачи небольшого возмущения через газ. Звук — это ощущение, созданное в человеческом головного мозга в ответ на сенсорные сигналы внутреннего уха. Скорость звука через атмосфера постоянная величина, зависящая от ежедневного температура. На стандартный день в статических условиях на уровне моря скорость звука составляет около 760 миль/ч или 1100 футов/сек . Мы можем использовать это знание, чтобы приблизительно определить как далеко произошел удар молнии.

При ударе молнии возникает яркая вспышка света. Свет распространяется с постоянной 186 000 миль/сек , это означает, что мы видим вспышку сразу же, как она происходит. Интенсивный высокая температура молнии производит звук, называемый громом, который передается по воздуху со скоростью звука. Потому что скорость звука намного медленнее, чем скорость света, мы всегда видим вспышку раньше, чем слышим гром.

На рисунке мы показываем звуковые волны которые образуются при ударе молнии.Волны движутся на около 1100 футов в секунду. На какое расстояние ушла волна от удар молнии через 2 секунды? Мы можем использовать уравнение скорости Для решения этой проблемы:

д = с * т

расстояние d равно скорости с умноженной на время t . За 2 секунды при скорости 1100 футов в секунду волна прошла 2200 футов. Какое расстояние он проходит за 5 секунд? 5500 футов, что всего лишь чуть больше мили (1 миля = 5280 футов). Итак, с момента вспышки достигает наших глаз мгновенно, если мы посчитаем количество секунд между вспышкой и тем, когда мы слышим гром, мы можем примерно расстояние до места удара молнии:

d = 1100 * t (расстояние в футах)

Или, если мы разделим на 5280 футов/милю:

d ~= t / 5 (расстояние в милях)

Попробуйте во время следующей грозы! Но укрыться, если время меньше пары секунд!


Деятельность:

Экскурсии с гидом

Навигация ..


Домашняя страница руководства для начинающих

06. Радио против звуковых волн

Уровень оценки:

6-12

Стандарты учебной программы:

ПС-М-С1 ПС-Х-Г1

Обзор:

Одной из основных целей этого раздела является обеспечение того, чтобы учащиеся знали фундаментальные различия между радиоволнами и звуковыми волнами. Благодаря участию в этом уроке учащиеся изучат характеристики обоих типов волн.Цель: выявить и изучить различные характеристики радио и звуковых волн. Цели:

Студенты будут:

  1. Проверьте свои собственные знания и понимание радио и звуковых волн.
  2. Обсудите характеристики каждого типа волн.
  3. Представление и эксперимент, демонстрируемый учителем, чтобы показать различия в двух волнах.

Интернет-сайты:

http://www.askjeeves.com
Студенты могут использовать этот сайт для исследований и отчетов по специальным темам, связанным со звуком, включая: ультразвук, инфразвук, эхолокация, сонар и преодоление звукового барьера. Они также могут исследовать различные типы волн, включенных в электромагнитный спектр, в том числе: космические лучи, гамма-лучи, рентгеновские лучи, ультрафиолетовые лучи, световые лучи, инфракрасные лучи, микроволны и радиоволны.

Процедуры:

  1. Предложите учащимся индивидуально ответить на следующие вопросы:
    1. Как образуются звуковые волны?
      Как производятся радиоволны?
    2. Как распространяются звуковые волны?
      Как распространяются радиоволны?
    3. Как быстро распространяются звуковые волны?
      С какой скоростью распространяются радиоволны?
  2. Предложите учащимся поработать в парах, чтобы сравнить ответы и внести необходимые изменения в свои ответы.
  3. Предложите учащимся поработать в группах, чтобы сравнить ответы и внести необходимые изменения в свои ответы.
  4. Запишите ответы каждой группы на доске.
  5. Проведите обсуждение в классе, которое приведет учащихся к правильным ответам и продемонстрирует их, чтобы помочь ученикам лучше понять.
    1. Звуковые волны создаются объектами, которые довольно быстро вибрируют. Это можно продемонстрировать, пощупав горло во время разговора, увидев вибрацию динамика при выходе звука или ударив по камертону.

      Радиоволны создаются движущимися заряженными частицами. Примером этого является электрический ток в проводе. Это можно продемонстрировать с помощью провода, 6-вольтовой батареи и небольшого радиоприемника. Включите радио на AM, чтобы было слышно статику, подключите один конец провода к аккумулятору. Прикоснитесь другим концом провода к другой клемме аккумулятора и попросите учеников записать свои наблюдения. (Когда другой конец провода коснется другой клеммы аккумулятора, вы услышите, как радиоволны, достигающие радиоприемника, превращаются в звуковые волны, которые могут слышать ваши уши. )

    2. Звуковые волны распространяются через среду. Если нет среды, то не будет и звука. Покажите включенное видео колокола в вакууме. Когда весь воздух удален, звуковые волны не могут проходить через среду, поэтому звук не слышен.

      Вот видео, демонстрирующее эту концепцию:
      Видео MPEG (10 МБ – 1 час на модеме 56k, 1-2 минуты при высокоскоростном соединении) 

      Радиоволны распространяются подобно световым волнам. Они могут быть поглощены, отражены или переданы.Используя ту же демонстрацию, что и выше, оберните радиоприемник прочной алюминиевой фольгой. Теперь прикоснитесь проводом к батарее и попросите учеников записать свои наблюдения. (Когда провод касается батареи, радиоволны не могут достичь радиоприемника, потому что часть энергии поглощается, а часть отражается алюминиевой фольгой, поэтому очень мало может пройти. Этим волнам не требуется среда для прохождения через них. Прекрасным примером этого являются спутники, вращающиеся в космическом пространстве, которые передают радиоволны через космос к антеннам здесь, на земле. )

    3. Звук распространяется со скоростью примерно 1100 футов в секунду (766 миль в час). Радиоволны распространяются со скоростью света, которая составляет примерно 186 000 миль в секунду. Это означает, что за то время, пока радиоволны проходят длину футбольного поля, свет может пройти дальше, чем весь мир. Вы можете продемонстрировать это на футбольном поле с помощью воздушного шара и двух раций от Radio Shack. Предложите двум ученикам пройтись по футбольному полю с воздушным шаром и одной рацией.Включите обе рации. Затем учащиеся с воздушным шаром должны нажать и удерживать кнопку разговора, прежде чем лопнуть воздушный шар. На другом конце просто слушайте. Предложите учащимся записать свои наблюдения. (Вы должны заметить, что звук воздушного шара сначала был слышен по радио, а вскоре после этого по воздуху.)

Оценка:

Предложите учащимся ответить на следующие вопросы:
  1. Какой тип волны создается вибрирующим объектом? (звук)
  2. Волна какого типа может путешествовать в космическом пространстве? (радио)
  3. Какой тип волны распространяется с наибольшей скоростью? (радио)
  4. Опишите одну ситуацию, когда было бы лучше общаться с помощью звуковой волны, а не радиоволны.
  5. Опишите одну ситуацию, когда было бы лучше общаться с помощью радиоволны.
  6. Нарисуй последний эксперимент. Включите в свой рисунок обоих людей, их уши, их рации и воздушный шар. Покажите пути звуковых волн одним цветом и радиоволн другим цветом. Используя свой рисунок, объясните, почему вы впервые услышали, как в рации лопнул воздушный шар.

Волны и свет

Волны и свет Волны – электромагнитный спектр

Свет или излучение можно рассматривать как волну .По мере того, как мы перемещаемся по электромагнитный спектр, мы находим свет многих длин волн. Гамма-лучи, рентгеновские лучи, и ультрафиолетовое излучение — все формы света с большой энергией, и более короткие длины волн, чем те, которые мы можем обнаружить нашими глазами. То промежуточные длины волн (от 4000 до 7500 Ангстрем) — это длины волн зрительного свет, затем инфракрасное (тепло), радио и даже гравитационное излучение.

Определяющими характеристиками волн являются их периодичность (паттерн повторяется), и они имеют некую амплитуду (высоту шаблон) и частота/длина волны (количество раз, когда шаблон повторяется в единицу времени/пространственной длины паттерна).Подумайте о пример волн в нашей повседневной жизни, таких как звуковые волны (плотность или давление волны) от музыкальных инструментов, волны проходящие по обтяжке или скакалка ( поперечные волны), или морские волны ( сила тяжести или поверхности волн).

  • Когда вы дуете на край бутылки, вы создаете глубокий звучный звук. звук (как туманный горн). Если изменить длину бутылки либо на получить более короткую/длинную бутылку или наполнить исходную бутылку водой, можно изменить высоту звука. Это принцип музыкального инструменты.
  • Короткие инструменты (например, флейта) воспроизводят высокие частоты звуковые волны. Флейтист изменяет высоту звука, открывая или закрывая отверстия по длине флейты, превращая ее в трубу, которая короче (высокий тон) или длиннее (низкий тон).
  • Более длинные инструменты, такие как тромбон, производят низкий, глубокий, низкий звук. частотные звуковые волны.Тромбонист изменяет высоту звука, сжимая или расширяя затвор, дополнительная трубка внутри корпуса инструмент, превращая его в трубку, которая короче (высокий тон) или длиннее (низкие тона).
  • Рассмотрим следующий мысленный эксперимент. Музыкант меняет тон звуков для создания музыки. В простом случае гитарист шевелит пальцем по длине гитарной струны, чтобы изменить частоту (высоту) Музыка. По мере того, как его палец приближался к одному из концов струны, частота звуковой волны увеличивается. А теперь представьте, что он двигает пальцем очень близко к одному концу струны, так близко, что в результате частота переходит из режима звуковых волн… в режим визуальный свет (более высокие частоты). Образно говоря, музыкант может превращать звук в свет!
  • Скорость звука в воздухе (в прохладный день) составляет ~1000 футов/сек. (В Для сравнения, скорость света составляет 186 000 миль в секунду. Вот как вы можете оценить, насколько далеко удары молнии, посчитав время между видя удар молнии и слыша гром достигают вас.) Молекулы воздуха движутся с такой скоростью? В среде с более высокой плотностью (для например, железнодорожные пути) звуковая волна распространяется быстрее. В более низкой плотности среде звук труднее передать, и он распространяется медленнее. Как это влияют на астронавтов, выполняющих прогулочные миссии в космосе — могут ли они разговаривать с друг друга легко?
  • Если вы держите слинки между руками, держа руки далеко от друг друга, вы можете пропустить низкочастотную низкоэнергетическую волну вдоль его поверхности. На самом деле вы не перемещаете весь облегающий костюм из рук в руки; вместо этого Волнообразная форма проходит вдоль тела облегающего тела, когда вы осторожно встряхиваете его.Чем быстрее вы встряхиваете слинки, вкладывая в систему больше энергии, тем увеличьте частоту волны, которую вы создаете (импульсы ближе вместе).
  • Резонанс : Система может накопить огромное количество энергии, если вы управляете им на резонансной частоте. Подумайте о том, чтобы толкнуть малыша на качели в парке; она качается туда-сюда, туда-сюда, и ей нужно постоянные толчки, иначе она будет медленно терять энергию и качание прекратится. Если вы толкаете неэффективно, в случайной точке на ее пути или не всегда в направлении движения, вы будете много работать, время от времени получать удары по голове свободная обувь, и она не будет качаться очень быстро.Если вы всегда толкаете ее на один вершине ее пути, и всегда толкайте в направлении движения, вы будете управляя качелями в резонансе, и она будет качаться довольно быстро – возможно, достаточно быстро, чтобы перелететь через поддерживающую планку!
  • Вы слышали о катастрофе 1940 года на Такомском узком мосту? Какую роль сыграли волны играть в усилении резонансного эффекта ветра со скоростью 40 миль в час на мосту, и растрясти его?
    Нормальное состояние Возбужденное состояние
    До и после. [М. Кетчум]

    Когда я проезжал мимо башен, мост начал сильно раскачиваться от бок о бок. Прежде чем я это понял, тильт стал настолько сильным, что я проиграл. контроль автомобиля. Я нажал на тормоза и вышел, но меня выбросило лицом к бордюру. Вокруг меня было слышно, как трещит бетон. я начал ловить мою собаку Табби, но снова был отброшен, прежде чем я успел дотянуться до машина. Сама машина начала скользить из стороны в сторону проезжей части. На на руках и коленях большую часть времени я прополз ярдов 500 или больше до вышек.Мое дыхание было прерывистым; мои колени были в крови и кровоточили, мои руки в синяках и опухших от захвата бетонного бордюра. К последнему я рискнул подняться на ноги и пробежать несколько ярдов за раз. Благополучно вернулся в платной площади, я увидел мост в его окончательном обрушении и увидел, как моя машина рухнула в Нарроуз. – Леонард Коутсворт, невольный очевидец

  • Сегодня мы лучше понимаем опасность резонансных эффектов, чем в прошлом. прошлое. Но рассмотрим мост Корор-Бабельдаоб длиной 800 футов, который внезапно рухнул однажды вечером в 1996 году после несущих нагрузок без признаков неприятности почти тридцать лет.

    Палау [архипелаг, расположенный на полпути между Японией и Австралией] очень небольшой. Единая дорога соединяет четыре острова, на которых находится большая часть территории страны. 17000 человек. Между тремя островами есть приподнятые бетонные дороги; самый большой остров, Бабелдаоб, соединяется со столицей Корор проливом. мост. По крайней мере, до недавнего времени. В сентябре 1996 года мост – ан. 800-метровый бетонный пролет – провалился в канал. Когда я спросил местного женщина, что с ним случилось она сказала, Это крах. Землетрясение? я спросил. Нет, просто рухни , сказала она, как будто такие вещи случаются сами собой. иногда. – американский гость.

Гром против молнии

Гром против молнии

Тай Томас


15 декабря 2016 г.

Представлено в качестве курсовой работы для Ph340, Стэнфордский университет, осень 2016 г.

Скорость света и звука

Во время грозы вы видите яркую вспышку молния.Несколько секунд спустя вы слышите громкий раскат грома. Как это происходит, если гром и молния приходят из одного места и происходят одновременно? Ответ включает в себя скорость, с которой звук и свет путешествия.

Свет – это электромагнитное излучение внутри определенную часть электромагнитного спектра. Молния вызывает свет в виде плазмы, которая создается электростатическим разрядом которые происходят между электрически заряженными областями двух или более облака или электрически заряженные области облака и земли.[1] На рис. 1 показан пример удара молнии в Землю.

Термин «свет» в основном относится к видимому свету, который отвечает за зрение в человеческом глазу. Длины волн около 400-700 нанометров составляют видимый свет. Свет движется со скоростью 186 282 метра в секунду (670 616 629 миль в час), поэтому теоретически ничто не движется быстрее скорости света. [2] Скорость звука обычно определяется как скорость звуковых волн в сухом воздухе, которая около 343.2 метра в секунду (768 миль в час) в воздухе при температуре около 20°С. Это значительно медленнее скорости света.

Это указывает на то, что причина, по которой вы увидите молния первая в грозе, потому что волны видимого света образованная плазмой в молнии достигает ваших глаз намного быстрее чем грохот или треск грома достигает ваших ушей. Следовательно, когда вы слышите грохот грома, молния была далеко из-за эффект рассеивания, то есть действие или процесс распределения вещи на большой площади.Когда вы слышите очень громкий треск или гул, это означает, что молния была рядом с вами. [1]

Рис. 2: Фейерверк на озере Анси Фестиваль во Франции. (Источник: Викимедиа Коммонс)

Используя это соотношение между видением молнии и услышав гром, вы можете приблизительно оценить, насколько далеко гроза из вашего текущего местоположения. Увидев молнию болт вдалеке, посчитайте, сколько секунд потребуется, чтобы услышать гром. Количество секунд, которое потребовалось, чтобы услышать гром, равно приблизительно на скольких милях от вас была молния. позиция.

Забавные факты

Есть несколько других обстоятельств, при которых связь между светом и звуком различима. Например: Вы сидите на вершине огромного бейсбольного стадиона и видите бейсбольная бита соприкасается с бейсбольным мячом.Через пару секунд, вы слышите слабое “цепляние” от контакта. Чрезвычайно быстро видимый свет позволяет увидеть контакт бейсбольной биты и бейсбол, но гораздо более медленным звуковым волнам требуется больше времени, чтобы добраться до вашего уши. Другим обстоятельством, при котором эта взаимосвязь прослеживается, было бы появляются во время просмотра фейерверков. Вы видите, как фейерверк взрывается в небо, через пару секунд слышишь грохот извержения. Это снова из-за медленной скорости звуковых волн фейерверков, достигающих ваши барабанные перепонки медленнее, чем цвета. [2] (см. рис. 2 для примера фейерверк.) Эти маленькие отношения происходят вокруг вас постоянно. Теперь, когда вы знаете причину, по которой это происходит, вам будет легче определить его, когда это произойдет!

© Тай Томас. Автор дает разрешение на копировать, распространять и отображать это произведение в неизмененном виде, с ссылка на автора только в некоммерческих целях. Все остальные права, включая коммерческие права, сохраняются за автором.

Ссылки

[1] В. Пфеффер, Гром и молния, /i> (Учебный справочник, 2002).

[2] Дж. Олдей, Свет и звук (Оксфорд Университетское издательство, 2002).

.

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.