ace ventura slinky scenesshs216felix.weebly.com/uploads/2/2/1/6/22164320/waves_basics_1.pdfwaves...

42
P11 Waves 1 Basics.notebook 1 December 13, 2013 Ace Ventura Slinky Scene

Upload: others

Post on 05-Jul-2020

4 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

  • P11 Waves 1  Basics.notebook

    1

    December 13, 2013

    Ace Ventura  Slinky Scene

    http://youtube.com/watch?v=ltwxc19s5u8&mode=related&search=

  • P11 Waves 1  Basics.notebook

    2

    December 13, 2013

    Unit 4- Waves

    Waves are caused by vibrations, such as objects undergoing simple harmonic motion. Although water waves, sound waves, springs, and light all seem very different, they share many properties that can be explained using a wave model. This unit introduces trainees to some general wave properties which will later be appled to specific types of waves.

  • P11 Waves 1  Basics.notebook

    3

    December 13, 2013

    Waves

    Stadium Wave

    Surfing 

    A wave is a disturbance that transfer energy.

    http://www.youtube.com/watch?v=yi3lw5rihfc&feature=relatedhttp://www.youtube.com/watch?v=7ns_ar8xx_uhttp://www.youtube.com/watch?v=rtq9cduxkw8&feature=relatedhttp://www.youtube.com/watch?v=-5zmrt4bl8a&feature=related

  • P11 Waves 1  Basics.notebook

    4

    December 13, 2013

    As a wave passes through a medium, the atoms that make up the medium are displaced from equilibrium.  This is a disturbance of the medium.

    A wave disturbance is created by a source.  The source of a wave might be a rock thrown into water, your hand plucking a stretched string, or an oscillating speaker cone pushing on air.

    A wave transfers energy. 

    The African clawed frog detects prey animals by the vibrations they make in the water.  They have an array of sensors called the lateral line organ on each side of its body.  This organ detects oscillations of the water due to passing waves.  The frog can determine where the waves come from and what type of animal made them, and whether a strike is called for.  

    The African Clawed Frog

    BATS

    Dophins

    http://www.youtube.com/watch?v=va3fxjpjwic&feature=relatedhttp://www.youtube.com/watch?v=gzxlunhempwhttp://www.youtube.com/watch?v=51g83jaenc4&feature=related

  • P11 Waves 1  Basics.notebook

    5

    December 13, 2013

    Types of Waves

    The vibration that creates a wave can be either: 

    •   a wave pulse (a single vibration)•   a continuous or periodic wave (a vibration which      repeats over time)

    Waves can be divided into two broad categories:

    • Mechanical Waves

       these waves require a medium (some substance/material)     in order to travel or move.

    Examplessound waves, water waves, slinky waves

    (air) (water) (slinky coils)

    Caution!Mechanical waves move through matter without actually carrying the matter with them.

    • Electromagnetic Waves   these waves do not require a medium in order to move    (can travel in a vacuum); however, they can move through a medium if one is present. Mechanical waves cannot travel through a vacuum.

    Examples

    visible light, microwaves, xrays 

    The Electromagnetic Spectrum Song

    http://www.youtube.com/watch?v=NeF1xaZJCQ8

    http://www.youtube.com/watch?v=xv5a5bmy1ca&feature=relatedhttp://www.youtube.com/watch?v=5j8ieiqblxchttp://www.youtube.com/watch?v=ifkldjqquv4&feature=relatedhttp://www.youtube.com/watch?v=xz6xuk7qlbuhttp://www.youtube.com/watch?v=snnwe6txxp0&feature=relatedhttp://www.youtube.com/watch?v=nef1xazjcq8

  • P11 Waves 1  Basics.notebook

    6

    December 13, 2013

    Defining waves this way leads to three notable categories: 

    •   transverse waves•   longitudinal waves•   surface waves

    A wave can be defined in terms of the direction of the wave's motion compared to the direction of the medium's motion.

    Transverse Waves    the particles of the medium                                     vibrate perpendicular to the                                     wave's direction of motion 

    Direction of a Wave's Motion

    Animation courtesy of Dr. Dan Russell, Kettering University

  • P11 Waves 1  Basics.notebook

    7

    December 13, 2013

    Longitudinal Waves    the particles of the medium                                          move parallel to the wave's                                          direction of motion

    Water/Surface Waves   the particles at the surface of the                                         medium move in circles

    Particle Movement

    Wave's Direction of Motion

    Water waves are an example of waves that involve a combination of both longitudinal and transverse motions. As a wave travels through the waver, the particles travel in clockwise circles. 

    The radius of the circles decreases as the depth into the water increases. The movie above shows a water wave travelling fromleft to right in a region where the depth of the water is greater than the wavelength of the waves. Two particles in blue have been identified to show that each particle indeed travels in a clockwise circle as the wave passes. 

    Animation courtesy of Dr. Dan Russell, Kettering University

    Animation courtesy of Dr. Dan Russell, Kettering University

  • P11 Waves 1  Basics.notebook

    8

    December 13, 2013

    The high points of the wave are called crests and the low points are called troughs.

    The "middle" position is called the equilibrium or rest position.  This is where the medium would lie if there was no wave passing through the medium.

    The maximum displacement of the wave from its equilibrium position is called the amplitude. 

    The energy transported by a wave is directly proportional to the square of the amplitude. E α A2

    crest

    trough

    amplitude equilibriumposition

    Tsunami

    (Indonesia 2004)

    Transverse Waves

    http://www.youtube.com/watch?v=rdouwmj7xzo&feature=relatedhttp://www.youtube.com/watch?v=w_gormzf018http://www.youtube.com/watch?v=kbd8qukrbjw

  • P11 Waves 1  Basics.notebook

    9

    December 13, 2013

    A region where the coils are pressed together in a small amount of space is known as a compression. 

    A region where the coils are spread apart, thus maximizing the distance between coils, is known as a rarefaction. 

    Longitudinal Pulses and Waves

    A wavelength, λ, is defined as the distance betweenthe centers of successive compressions/rarefactions.

    http://www.youtube.com/watch?v=e53fosh-xzi&feature=related

  • P11 Waves 1  Basics.notebook

    10

    December 13, 2013

    The wavelength of a wave is often defined as thedistance between two successive crests.  

    Actually, it is the distance between any two successive points where the wave motion repeats.

    Wavelength is given the symbol λ (called lambda)and is measured in meters.

    λ

    λ

    λ

    Wavelength(Van Morrison 1:16)

    http://www.youtube.com/watch?v=ea-v5sjx1h0

  • P11 Waves 1  Basics.notebook

    11

    December 13, 2013

    Wave Terminology

  • P11 Waves 1  Basics.notebook

    12

    December 13, 2013

    The frequency is the number of complete wavecycles that pass a given point per unit time.  Frequency is given the symbol f and is measured in hertz.

    Frequency

    The frequency of a wave does not depend on the medium through which the wave is passing.

    The frequency of wave depends only on the frequency of the source of vibation!

    Closely related to frequency is the measurement called period.  The period of a wave is the time needed for the wave motion to repeat.  The symbol T represents period, which is measured in seconds.

    Period

    Note

    Colin's Lab Cymatics

    Pitch  Frequency of Sound Waves

    http://www.youtube.com/watch?v=wayvyysqvbu&feature=relatedhttp://www.youtube.com/watch?v=iggroicga3g&feature=related

  • P11 Waves 1  Basics.notebook

    13

    December 13, 2013

    Example

    A child swings back and forth on a swing 15 times in 30.0 s. Determine the frequency and period of the swing.

  • P11 Waves 1  Basics.notebook

    14

    December 13, 2013

    SpeedThe wave speed is the speed at which any part of the wave moves.  It is not the speed of the particles of the medium.

    If we replace the period with 1/f, we get a new formula for wave speed.

    This equation is known as the wave equation and it applies to ALL the wave types.

    f      frequency      Hzλ     wavelength    mv     speed             m/s

    NoteUnless otherwise stated, you can assume that electromagnetic waves travel at a speed of 3.00 x 108 m/s (the speed of light in a vacuum). 

    radio waves microwaves  

    infrared wavesvisible light

    ultraviolet wavesxrays

    gamma rays

    The following are all electromangetic waves.

  • P11 Waves 1  Basics.notebook

    15

    December 13, 2013

     The speed of a wave depends only on the nature/ properties of the medium that it is passing through.

     When a wave moves from one medium to another, the frequency remains the same but the speed changes.

    NOTE

    •   A Slinky Dog is stretched out between Bubba      and Figgy Newton.  Bubba sends a pulse down      the Slinky Dog.  

    If Bubba and Figgy back away from one another, the Slinky Dog will stretch out even more. This essentially changes the medium.  If Bubba sends another pulse down the Slinky Dog, the pulse will travel at a greater speed.

    Examples

    •   Water waves change their speed depending on      the depth of the water.  As waves move from      deep to shallow water, their wavelengths de     crease.  Therefore, waves travel slower in shal     lower water.

  • P11 Waves 1  Basics.notebook

    16

    December 13, 2013

    Example 1

    A hiker shouts toward a vertical cliff 685 m away. The echo is heard 4.00 s later. The wavelength of the sound is 0.750 m.a. What is the speed of sound in air?b. What is the frequency?c. What is the period of the wave?  

    The speed of sound in air is 343 m/s.

    The frequency is 457 Hz.

    The period of the wave is 2.19 x 103 seconds.

  • P11 Waves 1  Basics.notebook

    17

    December 13, 2013

    Check Your Understanding

    Water waves in a lake travel 4.4 m in 1.8 s. the period is 1.2 s. What is the speed and wavelength of the water waves?

    The speed of the water wave is 2.4 m/s and the wavelength of the water wave is 2.9 meters.

  • P11 Waves 1  Basics.notebook

    18

    December 13, 2013

    I promise to be kind to all Slinkies. 

    I will not exceed the elastic limit of any Slinky under my care.  

    I will not allow Slinkies under mycare to "comingle."

    The cost of one Slinky  $3.98(not including tax).

    A Happy Slinky  priceless.

     

    The SlinkyPledge

  • P11 Waves 1  Basics.notebook

    19

    December 13, 2013

    Slinky

    Commercial  "It's Slinky"  (1960s)

    P5100045.MOV

    Commercial  "It's Slinky"  (1980s)

    Commercial  "It's Slinky"  (early 1960s)

    http://www.youtube.com/watch?v=cm_smm_tvx8&feature=related

    SMART Notebook

    http://www.youtube.com/watch?v=xdjnh34a2l4&feature=relatedhttp://www.youtube.com/watch?v=rb9a3okhvma&feature=related

  • P11 Waves 1  Basics.notebook

    20

    December 13, 2013

    Check Your Learning

    The ________ of a wave depends only on the medium in which it is travelling.a. Frequencyb. Periodc. Speedd. Wavelength

    When a wave passes from one medium to another, the _____ must stay the same.a. Amplitudeb. Frequencyc. Speedd. Wavelength

    c.speed

    b) frequency

  • P11 Waves 1  Basics.notebook

    21

    December 13, 2013

    A wave in which the medium moves parallel to the medium is called a ______ wave.a. Electromagneticb. Longitudinalc. Mechanicald. Transverse

    The vertical distance from top of a crest to the bottom of a trough is 34.0 cm. The amplitude of this wave isa. 8.5 cmb. 17.0 cmc. 34.0 cmd. 68.0 cm

    Check Your Learning

    b) longitudinal

    b) 17 cm.

  • P11 Waves 1  Basics.notebook

    22

    December 13, 2013

    A wave has a period of 0.20 s. What is the frequency?a. 0.20 Hzb. 1.0 Hzc. 5.0 Hzd. 20. Hz

    Check Your Learning

    c) 5.0 Hz

  • P11 Waves 1  Basics.notebook

    23

    December 13, 2013

    Wave Behaviors

    The Law of Reflection

    When a wave strikes a boundary at an angle, the wave will bounce off the boundary at thesame angle.    

    The normal is a line that is perpendicular to the boundary.  It is a useful reference for measuringangles.  

    The angle between the normal and the inicident ray, θi, is called the incident angle.  

    The angle between the normal and the reflectedray, θr, is called the reflected angle.

    The blue and purple lines represent wave fronts.They represent the crests of the waves.  A better way to show the motion of a wave is to draw linescalled rays.       

    The Law of Reflection

    θi = θr

    The angles must be measured from the normal to the rays and NOT from the

    boundary to the ray.

  • P11 Waves 1  Basics.notebook

    24

    December 13, 2013

    Refraction

    When a wave crosses into a new medium where itsspeed is different, it will change its direction of motion.  This phenomenon is known as refraction.

    More about this wave behavior a little later.....

  • P11 Waves 1  Basics.notebook

    25

    December 13, 2013

    When waves encounter a barrier they tend to bendaround it and spread into the area behind the obstacle.  This phenomena is called diffraction.  You may have noticed diffraction as water waves hit a pier or buoy.  

    Waves may also be diffracted by an aperture (an opening in a barrier).  

     

    2.  the wavelength; the longer the wavelength,      the greater the diffraction.  

    Diffraction

    The amount of diffraction depends on:

    1.  the size of the opening; the smaller the opening     the greater the diffraction.

    Refelection, Refraction and Diffraction 

    http://www.lon-capa.org/~mmp/kap13/cd372.htm

  • P11 Waves 1  Basics.notebook

    26

    December 13, 2013

                        The Principle of Superposition

    "When two or more waves are simultaneouslypresent at a single point in space, 

    the displacement of the medium at that point is the sum of the displacements due 

    to each individual wave."

    SimulationSuperposition of Waves

    The term phase is used to describe the relative positions of the crests of two different waves.

    •   waves are said to be "in phase" when the      crests are aligned.

    •   waves are said to be "out of phase" when     the crests do not line up. 

    The supersposition of two waves is often called interference.

    The displacement of the medium where the waves overlap is largerthan it would be due to either ofthe waves separately.

    The displacement of the medium where the waves overlap is lessthan it would be due to either ofthe waves separately.

  • P11 Waves 1  Basics.notebook

    27

    December 13, 2013

  • P11 Waves 1  Basics.notebook

    28

    December 13, 2013

    Check Your Understanding

    The process by which a wave bounces off an obstacle in its path us called a. Diffractionb. Reflectionc. Refractiond. Superposition

    The bending of waves as they go from one medium to a new medium is calleda. Diffractionb. Reflectionc. Refractiond. Superposition

    b) reflection

    c) Refraction

  • P11 Waves 1  Basics.notebook

    29

    December 13, 2013

    Standing waves have alternating nodes and antinodes.  

    node:  a point in the medium that is completely             undisturbed at all times (at this point the            medium is never displaced); it is produced             by the destructive interference of waves 

    antinode:  a point in the medium that undergoes                   the greatest displacement; it is pro                 duced by the constructive interference                 of  waves  

    They are called standing waves because although the medium moves, there does not appear to be any propogation of the wave. 

    Standing Waves

    SimulationStanding Waves 

    If two interfering waves have just the right frequency,the same wavelengths and equal amplitudes, a special wave called a standing wave will be produced. 

    node

    antinode

    The distance between nodes/antinodes is 1λ.                                                                  2

    A more complicatedf standing wave whose frequency is twice that of the fundamental frequency.

    The smallest frequency that will produce a standing wave is called the fundamental frequency.

  • P11 Waves 1  Basics.notebook

    30

    December 13, 2013

  • P11 Waves 1  Basics.notebook

    31

    December 13, 2013

    Standing Waves.MOV

    Standing Waves 2.MOV

    SMART Notebook

    SMART Notebook

  • P11 Waves 1  Basics.notebook

    32

    December 13, 2013

    Sample ProblemThe distance between adjacent nodes in a vibratingstring is 15 cm.  What is the wavelength of the standing wave?

    λ

    The wavelength of the standing wave is 45 cm.

  • P11 Waves 1  Basics.notebook

    33

    December 13, 2013

    Sample ProblemA standing wave with a frequency of 45.0 Hz isproduced in a string.  The distance between thesecond node and the fifth node is 36 cm.  What is the wavelength of the wave? 

  • P11 Waves 1  Basics.notebook

    34

    December 13, 2013

    Resonance

    Resonance is a phenomena that occurs when energy is added to a vibrating system at the same frequency as its natural frequency; during resonance, the amplitudes of the vibrations of the object become larger.

    Examples1.  Shattering Glass

    2.  Tacoma Narrows Bridge

    3.  Rice

    The natural frequency is the lowest frequency at which an object will vibrate when it is allowed tovibrate freely.

  • P11 Waves 1  Basics.notebook

    35

    December 13, 2013

    Breaking a Wine Glass using Resonance

    http://www.youtube.com/watch?v=17tqxgvcn0e

  • P11 Waves 1  Basics.notebook

    36

    December 13, 2013

    Tacoma Narrows Bridge

    On November 7, 1940, at approximately 11:00 AM, the Tacoma Narrows suspension bridge collapsed dueto windinduced vibrations.  Situated on the Tacoma Narros in Puget Sound, near the city of Tacoma, Washington, the bridge had only been open for traffic for afew months.

    (Bridge Collapse)

    (Rice and Resonance)

    (MRI)

    http://www.youtube.com/watch?v=3mclp9qmcgshttp://www.youtube.com/watch?v=zkox6nij1wchttp://www.youtube.com/watch?v=45vikobln3s

  • P11 Waves 1  Basics.notebook

    37

    December 13, 2013

    Two ropes are tied together.  What will be the frequency of the wave in the new medium?

    Wave Behaviors

    The speed of a wave depends only on the propertiesof the medium that it is passing through.  This is true for both mechanical and electromagnetic waves.

    When waves pass into a new medium, their speed will either increase or decrease.

    Speed

    Frequency

    Wavelength

    What happens to the length of a wave as itpasses from one medium into another?

    Amplitude

    What happens to the amplitude of a wave as it passes from one medium into another?

    Period

    What happens to the period of a wave as itpasses from one medium into another?

    Wave pulses travel slower in large, heavy springs.  A  heavy spring can be referred to as a 'slow medium".

    Pulses travel faster in small, lighter springs.  A light spring can be referred to as a "fast medium".

  • P11 Waves 1  Basics.notebook

    38

    December 13, 2013

    When a pulse/wave encounters a different medium only a portion of the pulse/wave will enter the new medium.  Some of the initial pulse/waveenergy will "bounce back" and remain in the initial medium.

    This phenomenon is known as reflection. 

    BOUNDARY BEHAVIOR

    The behavior of a wave (or pulse) upon reaching the end of a medium is referred to as boundary behavior.

    The diagram shows that the amplitude doesn't change when the pulse reflects, but the pulse is inverted.  We can understand why by looking at the forces at the boundary.

    When the pulse reaches the wall, the piece of string right at the wall feels an upward force from the approaching pulse.  But this piece of string is fixed in place, so there must be an opposite force from the wall on this piece of string.  This downward force leads to an inverted reflected pulse. 

  • P11 Waves 1  Basics.notebook

    39

    December 13, 2013

    The initial wave is called the incident wave.

    The portion of the wave that enters the second medium is called the transmitted wave.

    The portion that is reflected back into the first medium is called the reflected wave.

    Three Important Waves

    Boundary

    Boundary

  • P11 Waves 1  Basics.notebook

    40

    December 13, 2013

    The degree of difference between the two mediums determines how much of the inci

    dent wave is reflected.

    If the mediums are very similar (fresh andwater and salt water), most of the incident wave will be transmitted.

    Examples

    If the mediums are very different (water and molasses) most of the incident wave will bereflected.

  • P11 Waves 1  Basics.notebook

    41

    December 13, 2013

    A pulse goes into a medium that is less dense. The reflected pulse is a. Fasterb. Invertedc. Largerd. UprightResonance occurs when one object causes a second object to vibrate. The second object must have the same naturala. Amplitudeb. Frequencyc. Speedd. Wavelength

    Check Your Learning

    d) upright

    b) frequency

  • Attachments

    Van Morrison Wavelength

    http://ca.search.yahoo.com/search?fr=mcafee&p=van+morrison+wavelength+video

    Page 1: May 29-6:11 PMPage 2: Jul 23-12:24 PMPage 3: Nov 23-12:11 PMPage 4: Nov 30-6:33 PMPage 5: Nov 23-12:31 PMPage 6: May 8-9:17 PMPage 7: May 8-9:10 PMPage 8: Nov 23-1:23 PMPage 9: Nov 23-1:32 PMPage 10: May 8-10:35 PMPage 11: Jul 23-12:42 PMPage 12: May 8-10:39 PMPage 13: Jul 23-12:35 PMPage 14: May 9-2:02 PMPage 15: May 11-1:22 PMPage 16: Jul 23-3:44 PMPage 17: Jul 23-4:12 PMPage 18: May 4-3:42 PMPage 19: May 8-5:14 PMPage 20: Jul 23-4:52 PMPage 21: Jul 23-4:58 PMPage 22: Jul 23-4:54 PMPage 23: May 22-10:01 AMPage 24: Dec 7-11:24 AMPage 25: May 22-2:34 PMPage 26: May 22-4:04 PMPage 27: Dec 7-11:58 AMPage 28: Jul 23-5:07 PMPage 29: Dec 10-2:23 PMPage 30: Dec 17-4:27 PMPage 31: Jun 3-8:58 PMPage 32: May 22-8:28 PMPage 33: May 22-8:32 PMPage 34: Dec 5-10:41 AMPage 35: Dec 6-2:50 PMPage 36: May 22-7:05 PMPage 37: May 22-1:39 PMPage 38: May 11-1:12 PMPage 39: Dec 11-10:14 AMPage 40: May 22-7:53 PMPage 41: Jul 23-4:53 PMAttachments Page 1