ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

2-й семестр

Колебания и волны

УРОК 8/30

Тема. Звуковые волны

Цель урока: дать понятие о звуковой волне и ввести ее основные характеристики - скорость, высота и громкость.

Тип урока: урок изучения нового материала.

ПЛАН УРОКА

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Звуковые волны

Звуковые явления возникают вследствие механического колебания различных тел. Однако не любые колебания создают звук. Например, маятник не влечет звуковых колебаний, хотя амплитуда его колебаний может быть достаточно высокой, ведь амплитуда не является основным условием для возникновения звуковой волны.

Ø Звуковые волны - это волны, частоты которых лежат в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц.

Именно такие колебания мы воспринимаем как звук. Звуковые волны в воздухе - это продольные волны, то есть поочередное разрежения и сгущения воздуха. Звуковые волны порождает какое-либо колеблющееся тело: голосовые связки, мембрана динамика, музыкальные инструменты и т.п.

Наши уши воспринимают в виде звука колебания, частоты которых находятся в пределах от 16-20 Гц до 20 кГц. Такие колебания называют акустическими. Раздел физики, изучающий способы возникновения звуковых волн, их распространение и взаимодействие со средой, называют акустикой.

2. Скорость звука

Звуковые волны, как и все другие волны, распространяющиеся с конечной скоростью, называемой скоростью звука, то есть для распространения колебаний от источника требуется определенное время.

Скорость звука в различных средах отличается в десятки раз. Например, скорость звука в воздухе - около 330-340 м/с (диапазон значений связан с тем, что эта скорость вследствие повышения температуры несколько увеличивается). В воде скорость звука составляет примерно 1500 м/с, а в стали - 5000-6000 м/с.

Колебания среды при прохождении волны являются вынужденными. А частота вынужденных колебаний, как мы уже знаем, равна частоте внешней силы. Следовательно, частота звуковых колебаний всегда равна частоте колебаний тела, что является источником звука. А поскольку частота волны и длина волны связаны соотношением λ = с /v, мы видим, что при переходе звуковой волны из одной среды в другую изменяется длина волны. Например, вследствие перехода в среду, в которой скорость звука больше, длина звуковой волны увеличивается.

3. Высота и тембр звука

Ø Звуки, что издает камертон или другие гармонически колеблющиеся тела, называются музыкальными.

Различные шумы отличаются от музыкальных звуков тем, что им не соответствует определенная частота колебаний. Это смесь звуков самых разнообразных частот, беспорядочно чередуются.

Как известно, бас поет низким голосом, а тенор - высоким. От какой характеристики звуковой волны зависит высота звука? Опыты показывают, что высоту звука определяют частотой звуковой волны: чем больше частота волны, тем звук выше.

Например, писк комара соответствует 500-600 помахам его крылышек в секунду, жужжание шмеля - 220 помахам. Колебания голосовых связок певцов могут создавать звуки в диапазоне от 80 до 1400 Гц (см. таблицу), хотя в эксперименте фиксировались рекордно низкая (44 Гц) и высокая (2350 Гц) частоты.

В телефоне для воспроизведения человеческой речи используют область частот от 300 до 2000 Гц.

Звучание одной и той же ноты в исполнении различных музыкальных инструментов или голоса отличает тембр. Именно по тембру мы узнаем голос человека или различаем инструменты, которые используют ту же мелодию в одной тональности и с одинаковой громкостью.

Тембр звука определяет его окраску. Он определяется наличием и интенсивностью обертонов - частот, кратных основной.

Именно благодаря тембру звуки различных музыкальных инструментов имеют разное звучание. Чем больше обертонов, тем «насыщеннее», лучший звук. Очаровательный серебристый оттенок голосов хороших певцов обусловлен высокими обертонами.

4. Громкость звука

Изменяя силу удара по камертона молоточком, мы будем слышать звуки, отличающиеся по громкости. Но мы знаем, что чем сильнее мы ударяем, тем больше амплитуда колебаний ножек камертона. В случае увеличения амплитуды колебаний звучащего тела увеличивается и амплитуда колебаний в звуковой волне.

Это означает, что

Ø громкость звука определяют преимущественно амплитудой звуковой волны.

Однако громкость, что воспринимает ухо, зависит еще и от частоты звуковой волны, потому что ухо более чувствительно к одних частот и менее чувствительно - к другим. Например, ультразвук даже большой амплитуды человек не услышит.

Минимальное изменение давления, что может фиксировать человеческое ухо, определяет порог чувствительности.

Максимальное изменение давления, которое еще способно фиксировать человеческое ухо, определяет болевой порог.

Единицей измерения громкости является децибел (дБ). В приведенной таблице указана ориентировочная громкость звука различных источников.

Громкость, равную 120 дб, называют болевым порогом: за такого уровня громкости возникают болезненные ощущения. А за длительного воздействия такого звука происходит необратимое ухудшение слуха: человек уже никогда не сможет услышать шелеста листьев.

ВОПРОС К УЧАЩИМСЯ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Первый уровень

1. Какова физическая природа звука?

2. Какие тела являются источниками звука?

3. Почему для распространения звука необходима среда?

4. Чем определяют громкость звука и его высоту?

Второй уровень

1. Почему для скорости звука в твердых телах отмечают два ее значения?

2. Чем обусловлено различие тембра звуков?

3. Продольные или поперечные колебания возникают в звуковых волнах в воздухе? в воде? в твердом теле?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1). Качественные вопросы

1. С какой частотой колеблется барабанная перепонка уха человека, когда до нее доходит звук?

2. Как изменится громкость звука, если уменьшить амплитуду колебаний источника, что его выдает?

3. Самолет летит со сверхзвуковой скоростью. Слышен в кабине пилота звук работы двигателя, который размещен за кабиной?

4. Как изменяются частота и длина волны звука при переходе из воздуха в воду?

5. Или обязательно то, что более звука соответствует большая амплитуда звуковой волны?

2). Учимся решать задачи

1. Самолет летит горизонтально с постоянной скоростью. Когда наблюдатель слышит, что самолет находится над ним, он видит самолет под углом 60° к горизонту. Какова скорость самолета?

2. Найдите длину звуковой волны частотой 440 Гц в воздухе и воде.

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ

· Звуковые волны - это волны, частоты которых лежат в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц.

· Высоту звука определяет частота звуковой волны: чем больше частота волны, тем звук выше.

· Тембр звука определяет его окраску. Он определяется наличием и интенсивностью обертонов - частот, кратных основной.

· Громкость звука определяют преимущественно по амплитуде звуковой волны.

Домашнее задание

1. Подр.: § 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.

3. Д: подготовиться к самостоятельной работе № 8.