Гіпермаркет Знань>>Фізика і астрономія>>Фізика 8 клас>> Звук. Джерела і приймачі звуку. Характеристики звуку

Звукові і ультразвукові коливання та їх застосування
 Звукові явища виникають через механічні коливання різних тіл. Проте, не будь-які механічні коливання створюють звук і не за будь-яких умов. Розглядаючи коливання маятника, можна помітити, що звукові коливання в цьому разі не виникають, хоч амплітуда таких коливань може бути й досить великою. Отже, амплітуда не є тією основною характеристикою, за якою відрізняють звукові коливання від просто механічних.
Найпростіше можна одержати звукові коливання, закріпивши в лещатах стальну лінійку (пластину), вивівши її зі стану рівноваги і різко відпустивши.

Дослідимо коливання генератора звукових коливань, одночасно подаючи їх на гучномовець і на вхід електронного осцилографа (мал. 26). Гучномовець перетворює електричні коливання генератора Г на механічні коливання дифузора Д, які надають коливального руху частинкам повітря — у навколишньому просторі поширюється звукова хвиля. Ця хвиля досягає органів слуху людини (чи інших приймачів), викликаючи коливання барабанної перетинки. Проте звук ми чуємо незавжди.

Звукові коливання
Почнемо дослідження коливань з невеликих частот - кількох коливань за секунду. На екрані осцилографа спостерігаємо графік, дифузор гучномовця коливається, але звуку ми не чуємо. Поступово збільшуватимемо частоту коливань. За певної частоти з'являється звук. Людина починає його чути лише тоді, коли частота коливань досягає значень 16-20 Гц. Коливання з меншими частотами називають інфразвуковими.
Продовжуватимемо поступово збільшувати частоту коливань. У цьому разі змінюватиметься фізіологічна характеристика звуку, яку називають висотою тону. Отже, фізичній характеристиці звуку — частоті — відповідає фізіологічна характеристика — висота тону.

Ультразвукu
Якщо поступово збільшувати частоту звукових коливань, то висота тону зростатиме. З досягненням певної частоти ми вже не чутимемо звуку, хоча коливання й досягають наших органів слуху. Людина перестає чути звуки, якщо частота їх переви щує 20 000 Гц. Для різних людей ця межа може бути різною. Звукові коливання, частота яких перевищує 20 кГц, називають ультразвуковими.
Отже, звуковими є коливання, частота яких знаходиться в межах 16-20 Гц — 20 кГц.
Деякі тварини, наприклад собаки і кажани, чують ультра-звуки. Цю властивість використовують під час дресирування собак, а кажанам вона дає змогу орієнтуватися в просторі.
Не слід думати, що звуки можуть утворюватися лише в разі коливання твердих тіл: ніжок камертона, дифузора гучномовця, струни тощо. Досить сильні звуки можна одержати і під час коливання повітря.
Візьміть невеличку трубку, закрийте один з її отворів і подміть біля другого отвору. Матимете свищик, який дає звук певної висоти тону. Якщо хочете змінити висоту тону звуку, вставте в трубку поршень. Тепер можна змінювати висоту стовпчика повітря в трубці й одержувати звук різної висоти тону. Встановіть залежність висоти тону звуку від висоти стовпчика повітря.
 Так можна одержувати не лише звукові, а й інфра- та ультразвукові коливання, що й застосовують іноді в техніці.
Скориставшись     генератором, гучномовцем і осцилографом, встановимо, від чого залежить гучність звуку.  Якщо амплітуда коливань невелика , то й гучність звуку мала. Зі збільшенням амплітуди коливань зростатиме  й   гучність  звуку.   Проте коли амплітуда коливань мала, то звуку можемо й не почути через недостатню чутливість органів слуху. Існує певний поріг чутності. Коли ж амплітуда звукових коливань велика, то звуки викликають больові відчуття.
 
Складні звуки
Досі ми розглядали лише прості звуки. Проте більшість звуків у природі є складними. Складний звук можна розкласти на ту чи іншу кількість простих звуків. Основним тоном складного звуку вважають найнижчий, який має найменшу частоту коливань. Складний звук має такий самий період коливань, як і основний тон. Інші прості тони, що входять до складного звуку і мають частоти, більші від частоти основного тону (в ціле число разів), називають вищими гармонічними тонами, або обертонами. Кількість і амплітуди вищих гармонічних тонів утворюють специфічне «забарвлення» звуку, яке характеризують поняттям тембр звуку.
Звук у повітрі поширюється зі швидкістю 331  м/c — при температурі повітря 0 °C, у водні (0 °C)  — 1286 м/c;   вуглекислому газі (0°C) — 258 м/c; Швидкість поширення звуку у воді (0 °С) 1485  м/c .  Звук у твердих тілах поширюється зі швидкостями: у сталі 5100  м/c ;
граніті 3950  м/c ; дереві 4000  м/c .
Кількість і амплітуди вищих гармонічних тонів визначають тембр звуку.
 
Луна
Звукові та ультразвукові хвилі в будь-яких середовищах поширюються з різними швидкостями і можуть відбиватися від різних перепон (луна) (мал. 30). Відбивання звукових та ультразвукових хвиль використовується в техніці. Це явище можна спостерігати і в живій природі.
 
Застосування ультразвуків
Значення звукових коливань у житт і людини загальновідоме. Не менш важливу роль відіграють у сучасній техніці та наукових дослідженнях й ультразвукові коливання. Ультразвукові методи почали широко застосовувати в хірургії, за допомогою ультразвукових коливань можна розрізати і з'єднувати кісткові тканини. Ультразвукові коливання широко використовуються для лікування хвороб.
Ультразвуки ефективно можна використовувати в хірургії.
Ультразвукові хвилі, поширюючись у пружному середовищі, відбиваються від різних перешкод. Відбиті коливання можна вловити приладами. Знаючи швидкість їхнього    поширення    в    певному середовищі, досить просто визначити відстань до перешкоди. На цьому принципі ґрунтується дія ехолота, який уперше був сконструйований у 1918 р.  П. Ланжевеном. На судні встановлюють ультразвуковий випромінювач, що посилає в певному напрямі імпульси ультразвукових коливань (мал. 31). Відбиті хвилі приймаються і підсилюються. Самопис автоматично наносить на паперову стрічку рельєф дна. Якщо на шляху поширення ультразвуку виявиться косяк риби, то ультразвук відіб'ється і від нього, і це можна відразу виявити.
Аналогічно працюють і ультразвукові дефектоскопи — прилади для перевірки якості різноманітних деталей, наприклад після зварювання. Якщо в деталі є тріщини, порожнини тощо, то в цьому місці ультразвук відіб'ється, що й фіксується електронним осцилографом чи іншими засобами. У техніці застосовуються різні типи дефектоскопів.
Ультразвук широко використовують і в технологічних процесах, наприклад під час виготовлення емульсій. За звичайних умов важко змішати ртуть і воду або олію і воду, а під дією ультразвукових коливань таке змішування здійснюється швидко й надійно.
Досить широко використовують також ультразвукові вимірювальні  прилади:   для  визначення   в'язкості  рідин (акустичні віскозиметри), витрати рідин у трубопроводах тощо.
Під дією інтенсивних ультразвукових коливань значно прискорюється перебіг деяких хімічних реакцій, що також застосовують у техніці.
Ультразвук став надійним помічником людини вже сьогодні, але дослідження можливостей його застосування тривають.
Аналогічно дії ехолота працюють ультразвукові дефектоскопи. Ультразвук широко застосовують у технологічних процесах. Досить широко використовують ультразвукові вимірювальні прилади: для визначення в'язкості рідин (акустичні віскози — метри), витрати рідин у трубопроводах тощо.
Хоч людина почала вивчати коливання досить давно, проте є такі галузі коливань, які ретельно досліджують лише останнім часом. Насамперед це стосується інфразвукових коливань, шкідливий вплив яких на людський організм виявили французькі вчені. Вони довели, що інфразвуки достатньої потужності з частотами 6-9 Гц можуть бути для людини навіть смертельними, оскільки внутрішні органи мають власні частоти коливань саме 6-9 Гц. Унаслідок дії на людину інфразвуку з відповідною частотою виникає резонанс, зростає амплітуда коливань тих чи інших органів, що може призвести до смерті. Дія на організм людини коливань різної природи і частоти вивчена ще недостатньо. Та й у техніці існує чимало проблем, пов'язаних із застосуванням коливань, а також з усуненням їхніх шкідливих проявів.
Ультразвук прискорює певні хімічні реакції.
Інфразвукові коливання можуть справляти шкідливий вплив на організм людини.

Питання.

1.    Які коливання вважаються звуковими?
2.    Які коливання вважаються інфразвуковими, а які  — ультразвуковими?
3.    Як пов'язані між собою фізичні характеристики звукових коливань (їх частота і амплітуда) з фізіологічними характеристиками (висотою тону і гучністю)?
4.    Що таке тембр звуку?
5.    Де застосовують ультразвук?
 
 
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 4

Вивчення характеристик звуку
Мета. Дослідити, як залежить висота тону (частота) коливань, які дає скляна пляшка з водою, від висоти рівня води в ній; як залежить висота тону коливань стовпа повітря над поверхнею води в пляшці від висоти цього стовпа.
Обладнання: 1. Дві скляні пляшки, одна з яких з чистою питною водою (або два мірних циліндри, або мірний циліндр і пляшка). 2. Металева чайна ложечка. 3. Лінійка з міліметровими поділками.
Виконання  роботи
1. Легенько вдарте ложечкою по повній
пляшці з водою і запам ятаите висоту тону звуку, який при цьому виник. Тепер відлийте приблизно 1/5 частину води в порожню пляшку і знову збудіть коливання в досліджуваній пляшці. Збільшилась чи зменшилась висота тону (частота коливань пляшки)?

Потім відлийте ще 1/5 частину води і дослід повторіть. Зробіть висновок про зміну висоти тону звуку. Повторюйте дослід до того часу, поки пляшка стане порожньою.

Зробіть загальний висновок про залежність частоти коливань пляшки з водою від кількості води в ній (висоти стовпа рідини). 2. Подміть повітря з рота біля шийки порожньої пляшки так, щоб почалося гудіння стовпа повітря в пляшці. Запам'ятайте висоту тону звуку. Тепер налийте в пляшку 1/5 її об'єму води (приблизно). Викличте гудіння стовпа повітря. Порівняйте висоту тону звуку з попередньою. Зробіть висновок. Далі доливайте воду в пляшку і викликайте звучання стовпа повітря.

Зробіть загальний висновок про залежність висоти тону звуку (частоти коливань) стовпа повітря в пляшці від його висоти.

3.    Вдома можна виконати досліди з іншими посудинами (наприклад, від ліків, одеколону тощо).

4.    Знайдіть металеву чи скляну трубочку і приладнайте до неї дерев'яний  поршень.   Подміть  біля  вільного  кінця  трубочки — одержали свисток. Дослідіть, як залежить висота тону звуку свистка від висоти стовпа повітря в ньому. Висновок запишіть.

Цю роботу учні можуть виконати вдома. Але результати роботи варто обговорити в класі (після роботи ) з відповідною демонстрацією дослідів.

Фізика. 8 клас. Коршак Є.В., Ляшенко О.І., Савченко В.Ф.

Вислано читачами з інтернет-сайту

_{Онлайн бібліотека з підручниками і книгами з фізики, плани конспектів уроків по всім предметам, завдання з фізики 8 класу}

Зміст уроку
 конспект уроку і опорний каркас                      
 презентація уроку 
 акселеративні методи та інтерактивні технології
 закриті вправи (тільки для використання вчителями)
 оцінювання 

Практика
 задачі та вправи,самоперевірка 
 практикуми, лабораторні, кейси
 рівень складності задач: звичайний, високий, олімпійський
 домашнє завдання 

Ілюстрації
 ілюстрації: відеокліпи, аудіо, фотографії, графіки, таблиці, комікси, мультимедіа
 реферати
 фішки для допитливих
 шпаргалки
 гумор, притчі, приколи, приказки, кросворди, цитати

Доповнення
 зовнішнє незалежне тестування (ЗНТ)
 підручники основні і допоміжні 
 тематичні свята, девізи 
 статті 
 національні особливості
 словник термінів                          
 інше 

Тільки для вчителів
 ідеальні уроки 
 календарний план на рік 
 методичні рекомендації 
 програми
 обговорення

Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку, напишите нам.

Если вы хотите увидеть другие корректировки и пожелания к урокам, смотрите здесь - Образовательный форум.