Колебание звука. Звуковые колебания. Частота звуков

Вопросы.

1. Расскажите об опытах, изображенных на рисунках 70-73. Какой вывод из них следует?

В первом опыте (рис. 70) зажатая в тиски металлическая линейка издает звук при ее колебании.
Во втором опыте (рис. 71) можно наблюдать колебания струны, которая при этом тоже издает звук.
В третьем опыте (рис. 72) наблюдается звучание камертона.
В четвертом опыте (рис. 73) колебания камертона "записываются" на закопченую пластинку. Все эти опыты демонстрируют колебательный характер возникновения звука. Звук появляется в результате колебаний. В четвертом опыте это можно еще и наглядно наблюдать. Острие иглы оставляет след в виде близком к синусоиде. При этом звук не появляется ниоткуда, а порождается источниками звука: линейкой, струной, камертоном.

2. Каким общим свойством обладают все источники звука?

Любой источник звука обязательно колеблется.

3. Механические колебания каких частот называются звуковыми и почему?

Звуковыми называются механические колебания с частотами от 16 Гц до 20 000 Гц, т.к. в данном частотном диапазоне они воспринимаются человеком.

4. Какие колебания называются ультразвуковыми? инфразвуковыми?

Колебания с частотами более 20 000 Гц называются ультразвуковыми, а с частотами ниже 16 Гц - инфразвуковыми.

5. Расскажите об измерении глубины моря методом эхолокации.

Упражнения.

1. Звук от взмахов крыльев летящего комара мы слышим. а летящей птицы - нет. Почему?

Частота колебаний крыльев комара 600 Гц (600 взмахов в секунду), воробья 13 ГЦ, а человеческое ухо воспринимает звуки от 16 Гц.

Раздел физики, занимающийся звуковыми колебаниями, называется акустикой.

Человеческое ухо устроено так, что оно воспринимает колебания частотой от 20 Гц до 20 кГц как звук. Низкие частоты (звук от большого барабана или органной трубы) воспринимаются ухом как басовые ноты. Свист или писк комара соответствуют высоким частотам. Колебания частотой ниже 20 Гц называются инфразвуком , а частотой свыше 20 кГц - ультразвуком. Такие колебания человек не слышит, но есть животные, которые слышат инфразвуки, исходящие от земной коры перед землетрясением. Услышав их, животные покидают опасную местность.

В музыке акустические частоты соответствуют нотам. Нота «ля» основной октавы (ключ С) соответствует частоте 440 Гц. Нота «ля» следующей октавы соответствует частоте 880 Гц. И так все остальные октавы отличаются по частоте ровно в два раза. Внутри каждой октавы различают 6 тонов или 12 полутонов. Каждый тон имеет частоту в yf2 ~ 1,12 отличающуюся от частоты предыдущего тона, каждый полутон отличается от предыдущего в "$2 . Мы видим, что каждая следующая частота отличается от предыдущей не на сколько-то Гц, а в одинаковое число раз. Такая шкала называется логарифмической, так как равное расстояние между тонами будет именно на логарифмической шкале, где откладывается не сама величина, а ее логарифм.

Если звук соответствует одной частоте v (или со = 2tcv), то его называют гармоническим, или монохроматическим. Чисто гармонические звуки встречаются редко. Почти всегда звук содержит набор частот, т. е. его спектр (см. раздел 8 настоящей главы) сложен. Музыкальные колебания всегда содержат основной тон ссо = 2я/Т, где Т - период, и набор обертонов 2(Оо, Зсо 0 , 4соо и т. д. Набор обертонов с указанием их интенсивностей в музыке называется тембром. У разных музыкальных инструментов, у разных певцов, берущих одну и ту же ноту, тембр разный. Это придает им разную окраску.

Возможна примесь и некратных частот. В классической европейской музыке это считается неблагозвучным. Однако в современной музыке это используется. Даже используется медленное движение каких-либо частот в сторону увеличения или уменьшения (гавайская гитара).

В немузыкальных звуках возможны любые комбинации частот в спектре и их изменение во времени. Спектр таких звуков может быть сплошным (см. раздел 8). Если интенсивности для всех частот приблизительно одинаковы, то такой звук называют «белый шум» (термин взят из оптики, где белый цвет - совокупность всех частот).

Очень сложны звуки человеческой речи. Они имеют сложный спектр, который быстро меняется со временем при произнесении одного звука, слова и всей фразы. Это придает звукам речи различные интонации и акценты. В результате можно по голосу отличить одного человека от другого, даже если они произносят одни и те же слова.

Источники звука. Звуковые колебания

Человек живёт в мире звуков. Звук для человека является источником информации. Он предостерегает людей об опасности. Звук в виде музыки, пения птиц доставляет нам наслаждение. Мы с удовольствием слушаем человека с приятным голосом. Звуки важны не только для человека, но и для животных, которым хорошее улавливание звука помогает выжить.

Звук – это механические упругие волны, распространяющиеся в газах, жидкостях, твердых телах.

Причина звука - вибрация(колебания) тел, хотя эти колебания зачастую незаметны для нашего глаза.

Источники звука - физические тела, которые колеблются, т.е. дрожат или вибрируют с частотой
от 16 до 20000 раз в секунду. Вибрирующее тело может быть твердым, например, струна
или земная кора, газообразным, например, струя воздуха в духовых музыкальных инструментах
или жидким, например, волны на воде.

Громкость

Громкость зависит от амплитуды колебаний в звуковой волне. За единицу громкости звука принят 1 Бел(в честь Александра Грэхема Белла, изобретателя телефона). На практике громкость измеряют в децибелах (дБ). 1 дБ = 0,1Б.

10 дБ – шепот;

20–30 дБ – норма шума в жилых помещениях;
50 дБ – разговор средней громкости;
80 дБ – шум работающего двигателя грузового автомобиля;
130 дБ – порог болевого ощущения

Звук громкостью свыше 180 дБ может даже вызвать разрыв барабанной перепонки.

Высокие звуки представлены высокочастотными волнами – например, птичье пение.

Низкие звуки – это низкочастотные волны, например, звук двигателя большого грузовика.

Звуковые волны

Звуковые волны – это упругие волны, вызывающие у человека ощущение звука.

Звуковая волна может проходить самые различные расстояния. Орудийная стрельба слышна на 10-15 км, ржание лошадей и лай собак - на 2-3 км, а шепот всего на несколько метров. Эти звуки передаются по воздуху. Но проводником звука может быть не только воздух.

Приложив ухо к рельсам, можно услышать шум приближающегося поезда значительно раньше и на большем расстоянии. Значит металл проводит звук быстрее и лучше, чем воздух. Вода тоже хорошо проводит звук. Нырнув в воду, можно отчетливо слышать, как стучат друг о друга камни, как шумит во время прибоя галька.

Свойство воды – хорошо проводить звук – широко используется для разведки в море во время войны, а также для измерения морских глубин.

Необходимое условие распространения звуковых волн – наличие материальной среды. В вакууме звуковые волны не распространяются, так как там нет частиц, передающих взаимодействие от источника колебаний.

Поэтому на Луне из-за отсутствия атмосферы царит полная тишина. Даже падение метеорита на ее поверхность не слышно наблюдателю.

В каждой среде звук распространяется с разной скоростью.

Скорость звука в воздухе - приблизительно 340 м/с.

Скорость звука в воде - 1500 м/с.

Скорость звука в металлах, в стали - 5000 м/с.

В теплом воздухе скорость звука больше, чем в холодном, что приводит к изменению направления распространения звука.

КАМЕРТОН

- это U-образная металлическая пластина , концы которой могут колебаться после удара по ней.

Издаваемый камертоном звук очень слабый и его слышно лишь на небольшом расстоянии.
Резонатор - деревянный ящик, на котором можно закрепить камертон, служит для усилениязвука.
Излучение звука при этом происходит не только с камертона, но и с поверхности резонатора.
Однако длительность звучания камертона на резонаторе будет меньше, чем без него.

Э Х О

Громкий звук, отражаясь от преград, возвращается к источнику звука спустя несколько мгновений, и мы слышим эхо.

Умножив скорость звука на время, прошедшее от его возникновения до возвращения, можно определить удвоенное расстояние от источника звука до преграды.
Такой способ определения расстояния до предметов используется в эхолокации.

Некоторые животные, например летучие мыши,
также используют явление отражения звука, применяя метод эхолокации

На свойстве отражения звука основана эхолокация.

Звук - бегущая механическая волна и передает энергию.
Однако мощность одновременного разговора всех людей на земном шаре едва ли больше мощности одного автомобиля "Москвич"!

Ультразвук.

· Колебания с частотами, превосходящими 20 000 Гц, называют ультразвуком. Ультразвук широко применяется в науке и технике.

· Жидкость вскипает при прохождении ультразвуковой волны (кавитация). При этом возникает гидравлический удар. Ультразвуки могут отрывать кусочки от поверхности металла и производить дробление твердых тел. С помощью ультразвука можно смешать не смешивающиеся жидкости. Так готовятся эмульсии на масле. При действии ультразвука происходит омыление жиров. На этом принципе устроены стиральные устройства.

· Широко используется ультразвук в гидроакустике. Ультразвуки большой частоты поглощаются водой очень слабо и могут распространяться на десятки километров. Если они встречают на своем пути дно, айсберг или другое твердое тело, они отражаются и дают эхо большой мощности. На этом принципе устроен ультразвуковой эхолот.

В металле ультразвук распространяется практически без поглощения. Применяя метод ультразвуковой локации, можно обнаружить мельчайшие дефекты внутри детали большой толщины.

· Дробящее действие ультразвука применяют для изготовления ультразвуковых паяльников.

Ультразвуковые волны , посланные с корабля, отражаются от затонувшего предмета. Компьютер засекает время появления эха и определяет местоположение предмета.

· Ультразвук применяют в медицине и биологии для эхолокации, для выявления и лечения опухолей и некоторых дефектов в тканях организма, в хирургии и травматологии для рассечения мягких и костных тканей при различных операциях, для сварки сломанных костей, для разрушения клеток (ультразвук большой мощности).

Инфразвук и его влияние на человека.

Колебания с частотами ниже 16 Гц называются инфразвуком.

В природе инфразвук возникает из-за вихревого движения воздуха в атмосфере или в результате медленных вибраций различных тел. Для инфразвука характерно слабое поглощение. Поэтому он распространяется на большие расстояния. Организм человека болезненно реагирует на инфразвуковые колебания. При внешних воздействиях, вызванных механической вибрацией или звуковой волной на частотах 4-8 Гц, человек ощущает перемещение внутренних органов, на частоте 12 Гц – приступ морской болезни.

· Наибольшую интенсивность инфразвуковых колебаний создают машины и механизмы, имеющие поверхности больших размеров, совершающие низкочастотные механические колебания (инфразвук механического происхождения) или турбулентные потоки газов и жидкостей (инфразвук аэродинамического или гидродинамического происхождения).

Цель урока: Сформировать представление о звуке.

Задачи урока:

Образовательные:

• создать условия для активизации знаний учащихся о звуке, полученные при изучении естествознания,
• способствовать расширению и систематизации знаний учащихся о звуке.

Развивающие:

• продолжить развивать умение применять знания и собственный опыт в различных ситуациях,
• способствовать развитию мышления, анализу полученных знаний, выделения главного, обобщения и систематизации.

Воспитательные:

• способствовать формированию бережного отношения к себе и окружающим,
• содействовать формированию гуманности, доброты, ответственности.

Тип урока: раскрывающий содержание.

Оборудование: камертон, шарик на нити, воздушный колокол, язычковый частотомер, набор дисков с разным количеством зубцов, открытка, линейка металлическая, мультимедийное оборудование, диск с презентацией , разработанной учителем к данному уроку.

Ход урока

Среди разнообразных колебательных и волновых движений, встречающихся в природе и технике, особо важное значение в жизни человека имеют звуковые колебания и волны, и просто звуки. В повседневной жизни – это чаще всего волны, распространяющиеся в воздухе. Известно, что звук распространяется и в других упругих средах: в земле, в металлах. Погрузившись с головой в воду, можно издали отчетливо услышать стук двигателя приближающегося катера. При осаде в крепостных стенах помещали «слухачей», которые следили за земляными работами противника. Иногда это были слепцы, у которых особенно обострен слух. По звукам, передающимся в Земле, был, например, своевременно обнаружен подкоп врага к стенам Загорского монастыря. Благодаря наличию у человека органа слуха он получает из окружающей среды с помощью звуков большую и разнообразную информацию. Посредством звуков осуществляется и человеческая речь.

Перед вами на столе находятся рабочие листы со строками из произведения Чарльза Диккенса «Сверчок за очагом». Каждый из вас должен подчеркнуть те слова, которые выражают звук.

1 вариант

• Перепуганный косец пришел в себя только тогда, когда часы перестали трястись под ним, а скрежет и лязг их цепей и гирь окончательно прекратился. Немудрено, что он так разволновался: ведь эти дребезжащие, костлявые часы – не часы, а сущий скелет! – способны на кого угодно нагнать страху, когда начнут щелкать костями…
• ….Тогда-то, заметьте себе, чайник и решил приятно провести вечерок. Что-то неудержимо заклокотало у него в горле, и он уже начал издавать отрывистое звонкое фырканье, которое тотчас обрывал, словно еще не решив окончательно, стоит ли ему сейчас показывать себя компанейским малым. Тогда-то, после двух-трех тщетных попыток заглушить в себе стремление к общительности, он отбросил всю свою угрюмость, всю свою сдержанность и залился такой уютной, такой веселой песенкой, что никакой плакса-соловей не мог за ним угнаться….
• ….Чайник пел свою песенку так весело и бодро, что все его железное тело гудело и подпрыгивало над огнем; и даже сама крышка стала выплясывать что-то вроде джиги и стучать по чайнику (скрежет, лязг, дребезжащие, щелкать, звонкое фырканье, песенкой, залился, пел, гудело, стучать).

2 вариант:

• Вот тут-то, если хотите, сверчок и вправду начал вторить чайнику! Он так громко подхватил припев на свой собственный стрекочущий лад – стрек, стрек, стрек! – голос его был столь поразительно несоразмерен с его ростом по сравнению с чайником, что если бы он тут же разорвался, как ружье, в которое заложен чересчур большой заряд, это показалось бы вам естественным и неизбежным концом, к которому он сам изо всех сил стремился.
• ….Чайнику больше уже не пришлось петь соло. Он продолжал исполнять свою партию с неослабленным рвением, но сверчок захватил роль первой скрипки и удержал её. Боже ты мой, как он стрекотал! Тонкий, резкий, пронзительный голосок его звенел по всему дому и, наверное, даже мерцал, как звезда во мраке, за стенами. Иногда на самых громких звуках он пускал вдруг такую неописуемую трель, что невольно казалось – сам он высоко подпрыгивает в порыве вдохновения, а затем снова падает на ножки. Тем не менее они пели в полном согласии, и сверчок и чайник… Тема песенки оставалась все та же, и соревнуясь, они распевались все громче, и громче, и громче. (громко, припев, стрекочущий лад – стрек, стрек, стрек, разорвался, соло, стрекотал, резкий, пронзительный голосок, звенел, громких звуков, трель, пели, песенки, распевали, громче)

Мы живем в мире звуков. Раздел физики, изучающий звуковые явления, называется акустикой (слайд 1).

Источниками звука являются колеблющиеся тела (слайд 2) .

«Все, что звучит, обязательно колеблется, но не все, что колеблется, звучит».

Приведем примеры колеблющихся, но не звучащих тел. Язычки частотомера, длинная линейка. Какие примеры вы можете привести? (ветка на ветру, поплавок на воде и т.д.)

Укоротим линейку и услышим звук. Воздушный колокол также издает звуки. Докажем, что звучащее тело колеблется. Для этого возьмем камертон. Камертон представляет собой дугообразный стержень, закрепленный на держателе, ударим по нему резиновым молоточком. Поднеся звучащий камертон к маленькому шарику, висящему на нити, мы увидим, что шарик отклоняется.

Если провести звучащим камертоном по стеклу, покрытому сажей, мы увидим график колебаний камертона. Как называется такой график? (камертон совершает гармонические колебания )

Источниками звука могут быть жидкие тела, и даже газы. Воздух гудит в дымоходе и вода поет в трубах.

А какие примеры источников звука приведете вы? (механические часы, кипящий чайник, звук, издаваемый двигателем )

Когда тело звучит, оно колеблется, его колебания передаются близлежащим частицам воздуха, которые начинают колебаться и передают колебания соседним частицам, а те в свою очередь передают колебания дальше. В результате в воздухе образуются и распространяются звуковые волны.

Звуковая волна представляет собой зоны сжатия и разряжения упругой среды (воздуха), звуковая волна – продольная волна (слайд 3).

Мы воспринимаем звук благодаря нашему органу слуха – уху.

(Один из учеников рассказывает, как это происходит) (слайд 4).

(Другой ученик рассказывает о вреде наушников .)

«Изучая в течение двух месяцев поведение молодежи в столичном метрополитене, специалисты пришли к выводам, что в московском метро каждые 8 из 10 активных пользователей портативных электронных устройств слушают музыку. Для сравнения: при интенсивности звука в 160 децибел деформируются барабанные перепонки. Мощность звука, воспроизводимая плеерами через наушники, приравнивается к 110–120 децибел. Таким образом, на уши человека идет воздействие, равное тому, которое оказывается на человека, стоящего в 10 метрах от ревущего реактивного двигателя. Если такое давление на барабанные перепонки оказывается ежедневно, человек рискует оглохнуть. "За последние пять лет на прием стали чаще приходить молодые парни и девушки, – рассказала НИ отоларинголог Кристина Ананькина. – Все они хотят быть модными, постоянно слушать музыку. Однако длительное воздействие громкой музыки просто убивает слух". Если после рок-концерта организму нужно несколько дней, чтобы восстановиться, то при каждодневной атаке на уши времени на приведение слуха в порядок уже не остается. Слуховая система перестает воспринимать высокие частоты."Любой шум интенсивностью более 80 децибел негативно влияет на внутреннее ухо, – сообщает кандидат медицинских наук, сурдолог Василий Корвяков. – Громкая музыка поражает клетки, отвечающие за восприятие звука, особенно если атака идет прямо из наушников. Ситуацию ухудшает еще и вибрация в метро, которая также негативно влияет на структуру уха. В сочетании эти два фактора провоцируют острую тугоухость. Основная ее опасность в том, что она наступает буквально в одночасье, однако вылечить ее очень проблематично". Из-за шумового воздействия в нашем ухе отмирают волосковые клетки, отвечающие за передачу звукового сигнала в мозг. А способа восстановить эти клетки медицина пока не нашла».

Человеческое ухо воспринимает колебания частотой от 16–20000Гц. Все, что лежит до 16 Гц, – инфразвук, что после 20000Гц – ультразвук (слайд 6).

Сейчас мы прослушаем диапазон от 20 до 20000 Гц, и каждый из вас определит свой порог слышимости (слайд 5). (Генератор см. в Приложении 2)

Mногие животные слышат инфра- и ультра- звуки. Выступление учащегося (слайд 6).

Звуковые волны распространяются в твердых, жидких и газообразных телах, но не могут распространяться в безвоздушном пространстве.

Измерения показывают, что скорость звука в воздухе при 00С и нормальном атмосферном давлении равна 332 м/с. При повышении температуры скорость увеличивается. Для задач мы берем 340 м/с.

(Один из учеников решает задачу.)

Задача. Скорость звука в чугуне впервые была определена французским ученым Био следующим образом. У одного конца чугунной трубы ударяли в колокол, у другого конца наблюдатель слышал два звука: сначала – один, пришедший по чугуну, а, спустя некоторое время, – второй, пришедший по воздуху. Длина трубы 930 метров, промежуток времени между распространением звуков оказался равным 2,5с. Найдите по этим данным скорость звука в чугуне. Скорость звука в воздухе равна 340 м/с (Ответ: 3950 м/с).

Скорость звука в различных средах (слайд 7).

Мягкие и пористые тела – плохие проводники звука. Чтобы защитить какое-нибудь помещение от проникновения посторонних звуков, стены, пол и потолок прокладывают прослойками из звукопоглощающих материалов. Такими материалами являются: войлок, прессованная пробка, пористые камни, свинец. Звуковые волны в таких прослойках быстро затухают.

Мы видим, как многообразен звук, охарактеризуем его.

Звук, издаваемый гармонически колеблющимся телом, называется музыкальным тоном. Каждому музыкальному тону (до, ре, ми, фа, соль, ля, си) соответствует определенная длина и частота звуковой волны (слайд 8).

У нашего камертона тон ля, частота 440 Гц.

Шум – хаотическая смесь гармонических звуков.

Музыкальные звуки (тоны) характеризуются громкостью и высотой тона, тембром.

Слабый удар по ножке камертона вызовет колебания малой амплитудой, мы услышим тихий звук.

Сильный удар вызовет колебания с большей амплитудой, мы услышим громкий звук.

Громкость звука определяется амплитудой колебаний в звуковой волне (слайд 9).

Сейчас я буду вращать 4 диска, у которых разное количество зубцов. Я буду касаться открыткой этих зубцов. У диска с большими зубцами открытка колеблется чаще и звук выше. У диска с меньшим количеством зубцов открытка колеблется меньше и звук ниже.

Высота звука определяется частотой звуковых колебаний. Чем больше частота, тем выше звук. (слайд 10)

Самая высокая человеческая нота сопрано около 1300 Гц

Самая низкая человеческая нота басовая около 80 Гц.

У кого выше тон у комара или у шмеля? А как вы думаете, кто чаще машет крыльями комар или шмель.

Тембр звука – это своеобразная окраска звука, по которой мы различаем голоса людей различных инструментов (слайд 11).

Всякий сложный музыкальный звук состоит из ряда простых гармонических звуков. Самый низкий из них является основным. Остальные выше его в целое число раз, например, в 2 или 3–4 раза. Их называют обертонами. Чем больше к основному тону примешано обертонов, тем богаче будет звук. Высокие обертоны придают тембру «блеск» и «яркость» и «металличность». Низкие придают «мощность» и «сочность». А.Г.Столетов писал: «Простые тоны, какие мы имеем от наших камертонов – не употребляются в музыке, они так же пресны и безвкусны, как дистиллированная вода».

Закрепление

1. Как называется учение о звуке?
2. На Луне произошел сильный взрыв. Например, извержение вулкана. Услышим мы его на Земле?
3. Голосовые связки колеблются с меньшей частотой у человека, поющего басом или тенором?
4. При полете большинства насекомых издается звук. Чем он вызван?
5. Как могли бы люди переговариваться на Луне?
6. Почему при проверке колес вагонов во время остановки поезда их простукивают?

Домашнее задание: §34-38. Упражнение 30 (№ 2, 3).

Литература

1. Курс физики, Ч II, для средней школы/Перышкин А.В. – М.: Просвещение, 1968. – 240с.
2. Колебания и волны в курсе физике для средней школы. Пособие для учителей/Орехов В.П. – М.: Просвещение, 1977. – 176с.
3. Сверчок за очагом/Диккенс Ч. – М.: Эксмо, 2003. – 640с.