uabooks.top

Звучание флейты, шум мегаполиса, шорох травы, грохот водопада, человеческая речь, музыкальный звук, шум, акустический резонанс... Все это связано с распространением в пространстве определенных механических волн, которые называют звуковыми волнами. Их изучает акустика — наука о звуке. С элементами акустики вы начали знакомиться в курсе физики 9 класса. Итак, вспоминаем и узнаем новое.

Вспоминаем звуковые волны

Звуковые (акустические) волны — это механические волны с частотами от 20 Гц до 20 кГц.

Звуковые волны обычно доходят до уха через воздух — в виде последовательных сгущений и разрежений (то есть в воздухе звуковые волны являются продольными). В зонах сгущений (разрежений) давление воздуха незначительно больше (меньше) атмосферного (рис. 23.1).

Рис. 23.1. Человеческое ухо воспринимает звуковые волны с избыточным (звуковым) давлением примерно от 20 мкПа (0 децибелов — порог слышимости) до 20 Па (120 децибелов — болевой порог). Для сравнения Ратм=Ю0000 Па

Звук — механическая волна, потому все свойства волнового движения касаются и звука.

• Звук распространяется в среде с конечной скоростью, зависящей от температуры, плотности, состава и других характеристик среды. Так, в жидкостях звук распространяется быстрее, чем в газах, и медленнее, чем в твердых телах. Скорость распространения звука обычно увеличивается с увеличением температуры среды (в воздухе при температуре О °С скорость распространения звука составляет около 330 м/с, а при 20 °С — 340 м/с). Кроме того, чем меньше масса молекул среды, тем быстрее распространяется звук.

• Источником звука является колеблющееся тело (рис. 23.2). Такие колебания могут быть вынужденными (диффузор громкоговорителя), свободными (струна гитары), автоколебаниями (струны смычковых инструментов).

• Звук не распространяется в вакууме.

• При распространении звука не происходит переноса вещества, но происходит перенос энергии.

• Звуковые волны могут накладываться друг на друга (явление интерференции)·, могут огибать препятствия (явление дифракции).

2

Как связаны субъективные и объективные характеристики звука

Все физические величины, характеризующие механические волны (<амплитуда, частота, длина, энергия), являются и характеристиками звука. Эти величины не зависят от особенностей восприятия звука человеком, поэтому их называют объективными, или физическими, характеристиками звука. Субъективные характеристики звука (громкость, высота, тембр) обусловлены особенностями слуха человека, поэтому их называют физиологическими. Понятно, что физические и физиологические характеристики звука связаны (см. таблицу).

Субъективные (физиологические) характеристики звука

Громкость звука определяется прежде всего амплитудой звуковой волны (звуковым давлением), однако зависит и от частоты звуковой волны. Человеческое ухо плохо воспринимает звуки низких (около 20 Гц) и высоких (около 20 кГц) частот, лучше всего — средних частот (1-3 кГц).

Громкость звука измеряют в децибелах (дБ). Так, при частоте звука 1 кГц и звуковом давлении 20 Па громкость звука составляет 120 дБ — это болевой порог звука — наиболее громкий звук, который может воспринимать человек, не чувствуя боли (звук такой громкости издает двигатель реактивного самолета).

Обратите внимание! Громкий звук может привести к ухудшению слуха и даже к глухоте, особенно это касается прослушивания громкой музыки в наушниках. Слушать музыку в наушниках следует при минимальной громкости!

Высота звука определяется в основном частотой звуковой волны: чем больше ее частота, тем выше тон звука. Например, ноте «ля» первой октавы соответствует частота 440 Гц; ноте «ля» второй октавы — частота 880 Гц.

Свойство человеческого уха различать звуки по их частоте также зависит от интенсивности звуков. При увеличении интенсивности звука его высота кажется более низкой.

Тембр звука определяется составом звуковой волны: кроме основной частоты (по которой мы и оцениваем высоту звука) любой звук содержит несколько более слабых и более высоких дополнительных частот — обертонов. Именно благодаря тембру мы узнаем человека по голосу, отличаем звуки фортепиано от звуков флейты и т. д. Каждый музыкальный инструмент, каждый человек или животное имеют свой тембр.

3

Что такое акустический резонанс

На любое тело, расположенное в пределах распространения звуковой волны, действует периодическая сила, частота которой равна частоте волны. Под действием этой силы тело начинает совершать вынужденные колебания. Если частота собственных колебаний тела совпадает с частотой звуковой волны, то амплитуда колебаний тела увеличивается и оно начинает издавать звук — наблюдается акустический резонанс.

Рис. 23.3. Если заставить звучать один из камертонов, из-за резонанса начнет звучать и второй

Акустический резонанс — это явление резкого возрастания амплитуды звукового сигнала при приближении частоты сигнала-возбудителя к частоте собственных колебаний системы.

Наблюдать акустический резонанс можно с помощью опыта с двумя камертонами, имеющими одинаковую частоту (рис. 23.3).

Акустический резонанс используют для увеличения интенсивности звука, созданного некоторым источником (струной, ножками камертона, голосовыми связками и т. д.). Например, для увеличения громкости камертона его присоединяют к деревянному ящику (резонатору), собственная частота колебаний воздуха в котором равна частоте колебаний камертона. Камертон, присоединенный к резонатору, звучит гораздо громче, чем тот, который держат в руке.

А в каком случае камертон будет звучать дольше — с резонатором или без него?

Акустический резонанс используют во многих музыкальных инструментах. Воздух в трубах органа, корпусах арф, бандур, гитар и т. д. резонирует с тонами и обертонами звуков, издаваемых колеблющимися телами, и усиливает их. Полость рта — резонатор для звуковых волн, которые создаются благодаря колебаниям голосовых связок.

Как мы слышим

Звуковая волна, достигнув уха, испытывает ряд преобразований. Сначала она действует на барабанную перепонку, заставляя ее вибрировать. Чем громче звук, тем сильнее вибрирует перепонка, передавая звуковые колебания в среднее ухо, где они усиливаются.

Усиленный звук попадает во внутреннее ухо с заполненной жидкостью улиткой. Поверхность улитки покрыта волосковыми клетками, количество которых достигает 15 000. Каждая клетка резонирует с определенным диапазоном частот. Обнаружив «собственную» частоту, клетка начинает колебаться, возбуждая нервные окончания, и в мозг идет нервный импульс — человек слышит звук.

С возрастом количество волосковых клеток уменьшается (от 15 000 у ребенка до 4 тысяч у пожилого человека). Первыми погибают клетки, «отвечающие» за высокую частоту, поэтому взрослый человек не слышит высоких звуков (подросток слышит звуки до 22 кГц, пожилой человек — до 12 кГц).

4

Вспоминаем инфра- и ультразвук

Инфразвук (от лат. infra — ниже, под) — это механические волны, частота которых меньше 20 Гц.

Инфразвуковые волны возникают во время штормов, землетрясений, цунами, извержений вулканов, вследствие ударов о берег морских волн. Некоторые существа способны воспринимать инфразвуковые волны (рис. 23.4). Источником инфразвука могут быть и объекты, созданные человеком: турбины, двигатели внутреннего сгорания и т. д. В городах наибольший уровень инфразвука около автомагистралей.

Инфразвук очень опасен для животных и человека: он может вызывать симптомы морской болезни, головокружение, потерю зрения, стать причиной повышенной агрессивности. При длительном воздействии интенсивное инфразвуковое излучение может привести к остановке сердца. При этом человек даже не понимает, что происходит, ведь он не слышит инфразвука.

Механические волны, частота которых превышает 20 кГц, называют ультразвуковыми волнами (от лат. ultra — сверх, за пределами).

Ультразвук есть в шуме ветра и водопада, в звуках, которые издают некоторые живые существа. Установлено, что ультразвук до 100 кГц воспринимают многие насекомые и грызуны; улавливают его и собаки.

Слабый ультразвук — основа ультразвуковой локации — определения расположения и характера движения объекта с помощью ультразвука. Так, летучие мыши и дельфины, излучая ультразвук и воспринимая его эхо, могут даже в полной темноте найти дорогу или поймать добычу. Ультразвуковое исследование позволяет «увидеть» еще не родившегося младенца, исследовать состояние внутренних органов, выявить инородные тела в тканях. Ультразвуковую локацию применяют также на морских судах — для выявления объектов в воде {сонары) и исследования рельефа морского дна (эхолоты); в металлургии — для выявления и установления размеров дефектов в изделиях (дефектоскопы).

Мощный ультразвук применяют в технике (обработка прочных материалов, сварка, очистка поверхностей от загрязнений); медицине (измельчение камней в организме, что позволяет избежать хирургических операций); пищевой промышленности (изготовление сыров, соусов); косметологии (изготовление кремов, зубной пасты).

Подводим итоги

Механические волны с частотами 20 Гц — 20 кГц называют звуковыми волнами (звуком). Субъективные характеристики звука: высота звука (определяется частотой звуковой волны); громкость звука (определяется амплитудой и частотой звуковой волны); тембр звука (определяется спектром звуковой волны).

Явление резкого возрастания амплитуды звукового сигнала в случае приближения частоты сигнала-возбудителя к частоте собственных колебаний системы называют акустическим резонансом. Акустические резонаторы имеют почти все музыкальные инструменты.

Механические волны, частота которых меньше 20 Гц, называют ин-фразвуковыми волнами (инфразвук). Механические волны, частота которых превышает 20 кГц, называют ультразвуковыми волнами (ультразвук).

Контрольные вопросы

1. Что такое звук? 2. Приведите примеры источников и приемников звука. 3. От чего зависит скорость распространения звука? 4. Какой физической величиной определяется высота звука? громкость звука? 5. Где используют акустический резонанс? 6. Что такое инфразвук? Как он влияет на человека? 7. Что такое ультразвук? Приведите примеры применения ультразвука в природе, медицине, технике.

Упражнение № 23

Считайте, что скорость распространения звука в воздухе — 340 м/с, воде — 1500 м/с, чугуне — 5000 м/с.

1. Частота основного музыкального тона «ля» — 440 Гц. Определите длину волны этого тона в воздухе; воде; чугуне.

2. Какова глубина моря, если ультразвуковой сигнал, отразившись от морского дна, вернулся через 0,8 с после передачи?

Во сколько раз и как изменится длина звуковой волны при ее переходе из воды в воздух?

4. Почему в лесу мы слышим друг друга несмотря на то, что на «пути» звуковой волны есть деревья, а древесина хорошо поглощает звук?

5. Почему резонатор камертона представляет собой обычный ящик, а корпусы виолончели, скрипки, рояля имеют сложную форму? Проверьте свой ответ, воспользовавшись дополнительными источниками информации.

6. Как известно, ночью звук вдоль поверхности Земли распространяется на большие расстояния, чем днем. Выясните, как можно объяснить данное явление.

Экспериментальное задание

«Цветомузыка дома». Для проведения эксперимента вам понадобятся: прочный пластиковый или бумажный стаканчик, пищевая пленка, изоляционная лента или скотч, небольшая зеркальная поверхность (осколок зеркала или CD-диска размерами примерно 1x1 см), лак, лазерная указка, ножницы.

Подготовка к эксперименту. Обрежьте дно стаканчика, накройте широкую часть полученного усеченного конуса пищевой пленкой и зафиксируйте пленку изоляционной лентой. В центре пленки закрепите лаком «зеркальце».

Эксперимент. Положите стаканчик открытой частью вплотную к динамику магнитофона, компьютера и т. п.

Включите музыку и направьте луч от лазерной указки на зеркало. «Солнечный зайчик» от лазерного луча будет «танцевать» под музыку. Объясните наблюдаемое явление.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

Тема. Исследование колебаний нитяного маятника, измерение ускорения свободного падения.

Цель: изготовить нитяный маятник, определить с его помощью ускорение свободного падения; убедиться в справедливости формулы Гюйгенса. Оборудование: штатив с муфтой и лапкой, металлический шарик (или груз) с петелькой, нить длиной 1,5-2 м, измерительная лента, секундомер.

УКАЗАНИЯ К РАБОТЕ Подготовка к эксперименту

Изготовьте маятник (см. рисунок). Нить маятника должна быть достаточно длинной — шарик должен почти касаться пола.

Эксперимент

Результаты измерений и вычислений сразу заносите в таблицу.

1. Измерьте длину маятника (расстояние от точки подвеса до центра шарика).

2. Отклоните маятник от положения равновесия на 5—8 см и отпустите.

3. Измерьте время, за которое маятник совершает 20 колебаний.

4. Повторите опыт еще три раза, в последний раз (опыт 4) уменьшив длину маятника в два раза.

Обработка результатов эксперимента

Часть 1. Измерение ускорения свободного падения

1. По данным опытов 1—3 определите: 1) среднее время 20 колебаний:

период колебаний маятника:

ускоре

ние свободного падения:

2. Оцените относительную погрешность эксперимента, сравнив значение ускорения свободного падения, полученное в ходе эксперимента (£?_изм),

с табличным

Часть 2. Проверка формулы Гюйгенса

1. Для опыта 4 вычислите период колебаний маятника двумя способами: 1) воспользовавшись определением периода:

2) воспользова

вшись формулой Гюйгенса:

2. Оцените относительную погрешность эксперимента:

Анализ эксперимента и его результатов

Проанализируйте эксперимент и его результаты. В выводе укажите: 1) величины, которые вы измеряли; 2) зависят ли значения этих величин от длины нити (если зависят, то как); 3) причины погрешности.

ПОДВОДИМ ИТОГИ РАЗДЕЛА I «МЕХАНИКА».

Часть 3. Механические колебания и волны

1.Вы углубили свои знания о механических колебаниях.

2. Вы узнали об идеальном колебательном движении — гармонических колебаниях.

3. Вы ознакомились со свободными колебаниями маятников.

4. Вы узнали о явлении резонанса, возникающем в колебательных системах.

Резонанс — явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний, когда частота внешней периодической силы совпадает с собственной частотой колебаний системы.

5. Вы вспомнили механические волны — процесс распространения механических колебаний в упругой среде; виды механических волн, формулу волны.

6. Вы вспомнили звуковые волны и их характеристики.

Слышимый звук (20 Гц — 20 кГц). Высота (тон) звука определяется частотой звуковой волны; громкость звука — амплитудой колебаний (значением звукового давления); тембр звука — спектром звуковой волны (количеством и частотой обертонов).

ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ К РАЗДЕЛУ I «МЕХАНИКА».

Часть 3. Механические колебания и волны

Задания 1, 2, 5 содержат только один правильный ответ.

1. (1 балл) Какие существа могут воспринимать инфразвук?

а) дельфины; б) летучие мыши; в) медузы; г) пингвины.

2. (1 балл) Явление огибания волной препятствий называется:

а) интерференция; б) дифракция; в) резонанс; г) эхолокация.

3. (2 балла) Установите соответствие между определениями и названиями физических величин, характеризующих волну.

1 Максимальное отклонение от положения равновесия

2 Количество колебаний в единицу времени

3 Расстояние между двумя ближайшими точками, колеблющимися одинаково

4 Время одного колебания

А Длина волны Б Частота колебаний В Период колебаний Г Энергия колебаний Д Амплитуда колебаний

4. (2 балла) Установите соответствие между видом колебаний и телом, совер

шающим такие колебания.

1 Свободные колебания

2 Вынужденные колебания

3 Автоколебания

А Биение сердца

Б Колебания поплавка на поверхности воды В Периодическая смена дня и ночи Г Колебания струны гитары

5. (2 балла) Ножка камертона излучает ноту «ля» первой октавы. Определите длину звуковой волны, если скорость распространения звука равна 330 м/с. а) 75 см; б) 37, 5 см; в) 29 см; г) 14,5 см.

6. (3 балла) На рис. 1 показана поперечная волна, бегущая по упругому шнуру. Как в данный момент направлены скорость и ускорение движения точек А л В шнура?

(3 балла) По графику колебаний тела (рис. 2) запишите уравнение колебаний. (3 балла) Тело, подвешенное на пружине, отклонили на 5 см вниз от положения равновесия и отпустили. Какой путь пройдет тело за 10 с и каким будет его перемещение за это время, если частота колебаний — 0,625 Гц?

9. (3 балла) Найдите период колебаний маятника (рис. 3). Длина нити Z=l,6 м.

10. (4 балла) Уравнение колебаний груза на пружине имеет вид: x=0,05cos2ni (м). Определите жесткость пружины; максимальную скорость колебаний груза; потенциальную энергию пружины в фазе π/4. Масса груза — 200 г.

Сверьте ваши ответы с приведенными в конце учебника. Отметьте задания, которые вы выполнили правильно, определите сумму баллов и разделите ее на два. Полученный результат будет соответствовать уровню ваших знаний.

Тренировочные тестовые задания с компьютерной проверкой вы найдете на электронном образовательном ресурсе «Интерактивное обучение».

Мечты фантастов воплощаются в жизнь

В 2017 г. весь мир обсуждал видео, на котором робот впервые в истории выполнил сальто. Но как это яркое зрелище связано с понятиями механики?

Во-первых, это красиво! Это технически и эстетически красивое решение. За миллионы лет природа воплотила в живых организмах множество эффектных «технических решений», которые сейчас воспроизводят инженеры. Так, принцип работы экскаватора напоминает движение руки человека, планеры парят в небе подобно птицам. Возник даже новый раздел техники — бионика, использующая идеи природы для создания новых технических решений. Понятно, что человекоподобные роботы — это, пожалуй, самый «продвинутый» пример.

А вот «во-вторых» касается механики напрямую. Человек — это довольно слабое существо. Даже тренированные люди обычно не могут бежать быстрее 40 км/ч и поднимать более 250 кг. Издавна для увеличения своих возможностей человек использовал или животных (лошади, слоны, быки и т. п.), или простые устройства (рычаг, колесо и др.). Причем тысячи лет преимущественно использовались животные. Люди путешествовали пешком, а чтобы ускорить процесс — садились на лошадь или в карету. Пахали тоже с помощью животных.

Ситуация начала изменяться примерно 150 лет назад. Развитие механики позволило заменить лошадей поездами и автомобилями. Обратите внимание на следующие даты. Автомобиль впервые начал двигаться быстрее гепарда (самое быстрое животное на Земле, развивает

скорость 110-115 км/ч) только на рубеже XIX и XX вв. — чуть больше 100 лет назад! Примерно в то же время (декабрь 1903 г.) подобно птице поднялся в небо самолет — механический аппарат тяжелее воздуха. А самую быструю птицу (сапсан может развить скорость свыше 322 км/ч) самолет «обогнал», достигнув скорости 350-400 км/ч, только в середине 1920-х гг. (А ведь это совсем недавно — тогда, возможно, ваши прабабушки и прадедушки ходили в школу!) Конечно, сейчас ситуация в корне изменилась: никого не удивляет путешествие авиалайнером со скоростью свыше 800 км/ч, а для автомобилей из соображений безопасности даже введены ограничения скорости.

Несмотря на безусловный прогресс механических устройств, они, как правило, не могут работать без человека. Поэтому на самом деле в современных механизмах работают, так сказать, две составляющие механики: созданное инженерами собственно устройство и опыт человека, который управляет этим устройством и навыки которого тоже базируются на законах механики.

Вернемся к сальто робота. Это один из первых примеров сочетания действительно красивого технического решения (на снимках робот очень похож на человека в скафандре) и креативного «мозга»: на основе уравнений механики инженеры «научили» механизм правильным движениям.

Ждем будущих достижений...

 

Это материал учебника Физика 10 класс Барьяхтар, Довгий