Природа связи может быть различной. Для приведенных конструкций она является упругой - колебания передаются от одного маятника к другому, благодаря силам упругости. Школьникам из базового курса физики известно, что между частицами твердого тела, жидкости, газа действуют силы упругости. Распространение волн в среде демонстрируют на цепочке шариков, связанных друг с другом пружинами, или цепочке маятников на бифилярных подвесах, также соединенных пружинами. На первой модели удобнее демонстрировать распространение продольных волн, на второй - распространение как продольных, так и поперечных волн.
Ребятам показывают, что если на первый шарик подействовать периодической внешней силой, направленной вдоль цепочки, то в колебательное движение придут и все последующие шарики с той же частотой вдоль той же прямой, но колебание каждого из них будет запаздывать по сравнению с колебанием предыдущего шарика. Таким образом, можно смоделировать распространение продольных упругих волн, при этом школьники наглядно видят, что распространение продольной волны в среде сопровождается образованием сгущений и разрежений вдоль направления ее распространения. Аналогично показывают образование поперечной волны на цепочке связанных нитями маятников.
Поперечные и продольные волны демонстрируют и с помощью волновой машины, но делать это целесообразнее после того, как будут показаны описанные выше опыты, так как на этой машине труднее наглядно раскрыть механизм образования волн. Волновой машиной лучше воспользоваться при закреплении материала или введении понятия длины волны. После ознакомления с поперечными и продольными волнами учащимся предлагают самим выделить характерные черты волнового движения - в пространстве происходит передача энергии, сами же колеблющиеся частицы не перемещаются, переноса вещества в волне не происходит. Это можно показать не только на приведенных выше установках (см. рис.9 и 10), но и на резиновом шнуре, на поверхности воды в волновой ванне, если разместить в ней несколько поплавков и возбудить волну с помощью вибратора.
Возникновение волн на воде связано с действием силы поверхностного натяжения и силы тяжести, но отказываться от их рассмотрения ввиду особой их природы не следует, так как основные свойства волн более наглядно можно продемонстрировать именно на этих волнах с помощью волновой ванны.
При изучении упругих волн учащиеся получают первоначальное представление о скорости распространения волн. Известно, что в волновом движении различают скорость распространения волнового фронта (волновой поверхности) в среде, т.е. фазовую скорость, и скорость переноса энергии (перемещения волнового пакета), т.е. групповую скорость. Для упругих волн фазовая скорость распространения в жидких, твердых и газообразных средах в очень широком интервале частот остается постоянной. Групповая скорость совпадает с фазовой, поэтому в средней школе нет необходимости рассматривать понятие групповой скорости. Таким образом, при изучении волнового движения школьники встречаются с понятием скорости распространения волны, под которым подразумевается фазовая скорость, т.е. скорость перемещения гребня или впадины - в поперечной волне и сгущений или разрежений - в продольной (понятие волновой поверхности не рассматривают, так как пока отсутствует понятие фазы). Следует обратить внимание на то, чтобы учащиеся четко разграничивали понятия скорости распространения волны и скорости колебательного движения точек в волне. Для этого целесообразно рассмотреть конкретные примеры и задачи.
Как известно, в упругих средах скорость волн определяется упругими свойствами среды по отношению к тому или иному типу деформаций и плотностью самой среды. На опыте, изменяя натяжение шнура (резиновой трубки), можно проиллюстрировать зависимость скорости распространения волн от упругих свойств среды, показав, что колебания распространяются быстрее, если сильнее натянуть трубку или шнур. Зависимость между скоростью волны и плотностью среды показывают, возбудив колебания сначала пустой трубки, а затем наполненной водой. Поясняют также, что в твердом теле продольные и поперечные волны распространяются с различной скоростью, так как в одном случае их распространение связано с деформацией сжатия, в другом - сдвига и упругие свойства твердого тела в отношении этих видов деформации неодинаковы, отсюда различие и в скорости распространения этих волн.
Итак, скорость волны зависит от свойств среды и не зависит от частоты. Так как обычно рассматривают волны, в которых амплитуда колебаний невелика, то скорость волны можно считать не зависящей от амплитуды.
После того как учащиеся ознакомились с образованием продольных и поперечных волн и со скоростью волны, можно ввести еще одно важное для волнового движения понятие - длину полны. Понятие о длине волны помогает ученикам усвоить важное свойство волн - периодичность в пространстве. Определяют длину волны как расстояние, на которое распространяется волна за один период. Это определение не требует введения понятия о фазе и связывается с уже хорошо знакомым учащимся понятием равномерного движения и его уравнением, при этом легче усваивается формула
Длина волны - это расстояние между двумя ближайшими точками, одновременно проходящими положение равновесия и движущимися в одну сторону. Следует выяснить далее, что точки, удаленные друг от друга на расстояние (где п - целое число), колеблются одинаково.
(где п - целое число), колеблются одинаково.