Головна ⇒ 📌Плани-конспекти уроків по фізиці ⇒ Звукові хвилі

Звукові хвилі

ЕЛЕКТРОДИНАМІКА

2-й семестр

Коливання й хвилі

УРОК 8/30

Тема. Звукові хвилі

Мета уроку: дати поняття про звукову хвилю й увести її основні характеристики – швидкість, висота й гучність.

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.

ПЛАН УРОКУ

Контроль знань	4 хв.	1. Механічні хвилі і їхні характеристики. 2. Поперечні хвилі. 3. Поздовжні хвилі
Демонстрації	5 хв.	1. Коливне тіло як джерело звуку. 2. Залежність висоти тону від частоти коливань. 3. Залежність гучності звуку від амплітуди коливань
Вивчення нового матеріалу	26 хв.	1. Звукові хвилі. 2. Швидкість звуку. 3. Висота й тембр звуку. 4. Гучність звуку
Закріплення вивченого матеріалу	10 хв.	1. Якісні питання. 2. Навчаємося розв’язувати задачі

ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Звукові хвилі

Звукові явища виникають унаслідок механічного коливання різних тіл. Однак не будь-які коливання створюють звук. Наприклад, маятник не спричиняє звукових коливань, хоча амплітуда його коливань

може бути досить високою, адже амплітуда не є основною умовою для виникнення звукової хвилі.

O Звукові хвилі – це хвилі, частоти яких лежать у діапазоні від 20 Гц до 20 кГц.

Саме такі коливання ми сприймаємо як звук. Звукові хвилі в повітрі – це поздовжні хвилі, тобто почергове розрідження і згущення повітря. Звукові хвилі породжує яке-небудь коливне тіло: голосові зв’язки, мембрана динаміка, музичні інструменти тощо.

Наші вуха сприймають у вигляді звуку коливання, частоти яких перебувають у межах від 16-20 Гц до 20 кГц. Такі коливання називають акустичними. Розділ фізики, що вивчає способи виникнення звукових хвиль, їхнє поширення й взаємодію із середовищем, називають акустикою.

2. Швидкість звуку

Звукові хвилі, як і всі інші хвилі, поширюються з кінцевою швидкістю, що називають швидкістю звуку, тобто для поширення коливань від джерела потрібний певний час.

Швидкість звуку в різних середовищах відрізняється в десятки разів. Наприклад, швидкість звуку в повітрі – близько 330-340 м/с (діапазон значень пов’язаний з тим, що ця швидкість внаслідок підвищення температури трохи збільшується). У воді швидкість звуку становить приблизно 1500 м/с, а в сталі – 5000-6000 м/с.

Коливання середовища під час проходження хвилі є вимушеними. А частота вимушених коливань, як ми вже знаємо, дорівнює частоті зовнішньої сили. Отже, частота звукових коливань завжди дорівнює частоті коливань тіла, що є джерелом звуку. А оскільки частота хвилі и довжина хвилі пов’язані співвідношенням? = /v, ми бачимо, що під час переходу звукової хвилі з одного середовища в інше змінюється довжина хвилі. Наприклад, внаслідок переходу в середовище, у якому швидкість звуку більша, довжина звукової хвилі збільшується.

3. Висота й тембр звуку

O Звуки, що видає камертон або інші гармонічно коливні тіла, називаються музичними.

Різні шуми відрізняються від музичних звуків тим, що їм не відповідає певна частота коливань. Це суміш звуків найрізноманітніших частот, що безладно чергуються.

Як відомо, бас співає низьким голосом, а тенор – високим. Від якої ж характеристики звукової хвилі залежить висота звуку? Досліди показують, що висоту звуку визначають частотою звукової хвилі: чим більша частота хвилі, тим звук вищий.

Наприклад, писк комара відповідає 500-600 помахам його крилець у секунду, дзижчання джмеля – 220 помахам. Коливання голосових зв’язок співаків можуть створювати звуки в діапазоні від 80 до 1400 Гц (див. таблицю), хоча в експерименті фіксувалися рекордно низька (44 Гц) і висока (2350 Гц) частоти.

У телефоні для відтворення людського мовлення використовують область частот від 300 до 2000 Гц.

Звучання однієї й тієї ж ноти у виконанні різних музичних інструментів або голосу вирізняє тембр. Саме за тембром ми упізнаємо голос людини або розрізняємо інструменти, які використовують ту саму мелодію в одній тональності й із однаковою гучністю.

Тембр звуку визначає його забарвлення. Він визначається наявністю й інтенсивністю обертонів – частот, кратних основній.

Саме завдяки тембру звуки різних музичних інструментів мають різне звучання. Чим більше обертонів, тим “насиченіший”, кращий звук. Чарівний сріблистий відтінок голосів гарних співаків обумовлений саме високими обертонами.

4. Гучність звуку

Змінюючи силу удару по камертону молоточком, ми будемо чути звуки, що відрізняються за гучністю. Але ми знаємо, що чим сильніше ми вдаряємо, тим більшою є амплітуда коливань ніжок камертона. У разі збільшення амплітуди коливань звучного тіла збільшується й амплітуда коливань у звуковій хвилі.

Це означає, що

O гучність звуку визначають переважно амплітудою звукової хвилі.

Однак гучність, що сприймає вухо, залежить ще й від частоти звукової хвилі, тому що вухо більш чутливе до одних частот і менш чутливе – до інших. Наприклад, ультразвук навіть великої амплітуди людина не почує.

Мінімальна зміна тиску, що може фіксувати людське вухо, визначає поріг чутливості.

Максимальна зміна тиску, яку ще спроможне фіксувати людське вухо, визначає больовий поріг.

Одиницею виміру гучності є децибел (дБ). У наведеній таблиці зазначено орієнтовну гучність звуку різних джерел.

Джерело звуку	Гучність, дБ
Цокання наручних годинників	10
Тихий шепіт, шелест листів	20
Звичайне мовлення	60
Голосне мовлення	80
Голос співака	100
Відбійний молоток	110
Рок-концерт	120

Гучність, що дорівнює 120 дб, називають больовим порогом: за такого рівня гучності виникають хворобливі відчуття. А за тривалого впливу такого звуку відбувається незворотне погіршення слуху: людина вже ніколи не зможе почути шелесту листя.

ПИТАННЯ ДО УЧНІВ У ХОДІ ВИКЛАДУ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

Перший рівень

1. Яка фізична природа звуку?

2. Які тіла є джерелами звуку?

3. Чому для поширення звуку необхідне середовище?

4. Чим визначають гучність звуку і його висоту?

Другий рівень

1. Чому для швидкості звуку у твердих тілах зазначають два її значення?

2. Чим зумовлено відмінність тембру звуків?

3. Поздовжні чи поперечні коливання виникають у звукових хвилях у повітрі? у воді? у твердому тілі?

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

1). Якісні питання

1. З якою частотою коливається барабанна перетинка вуха людини, коли до неї доходить звук?

2. Як зміниться гучність звуку, якщо зменшити амплітуду коливань джерела, що його видає?

3. Літак летить із надзвуковою швидкістю. Чи чутно в кабіні пілота звук роботи двигуна, який розміщено за кабіною?

4. Як змінюються частота й довжина хвилі звуку під час переходу з повітря у воду?

5. Чи обов’язково те, що голоснішому звуку відповідає більша амплітуда звукової хвилі?

2). Навчаємося розв’язувати задачі

1. Літак летить горизонтально з постійною швидкістю. Коли спостерігач чує, що літак перебуває над ним, він бачить літак під кутом 60° до горизонту. Яка швидкість літака?

2. Знайдіть довжину звукової хвилі частотою 440 Гц у повітрі й воді.

ЩО МИ ДІЗНАЛИСЯ НА УРОЦІ

– Звукові хвилі – це хвилі, частоти яких лежать у діапазоні від 20 Гц до 20 кГц.

– Висоту звуку визначає частота звукової хвилі: чим більша частота хвилі, тим звук вищий.

– Тембр звуку визначає його забарвлення. Він визначається наявністю й інтенсивністю обертонів – частот, кратних основній.

– Гучність звуку визначають переважно за амплітудою звукової хвилі.

Домашнє завдання

1. Підр.: § 21.

2. 3б.:

Рів1 № 10.15; 10.16; 10.17; 10.26.

Рів2 № 10.25; 10.28; 10.29, 10.31.

Рів3 № 10.50; 10.58; 10.59; 10.60.