Урок "Механические и звуковые волны"

План-конспект занятия

Раздел                           Молекулярная физика

Тема урока                  Свойства жидкостей. Поверхностное натяжение жидкости. Смачивание и капиллярность.

Количество часов       2 (90 минут)

Цели занятия:

Обучающая                  восприятие и первичное осмысление учебного материала; формирование понятий: поперечных и продольных волн, длина волны, инфразвук и ультразвук, явления акустического резонанса

Развивающая

Развитие логического мышления, умения анализировать условия задачи и применять вычислительные навыки при решении

Воспитательная

1.     Формирование умения организовывать собственную деятельность. Выбирать типовые методы и способы выполнения профессиональных задач, оценивать их эффективность и качество; воспитание настойчивости и целеустремленности, любознательности, умения применять полученные знания.

Вид занятия                 Изучение нового материала

Оснащение урока:

1.                 Наглядные пособия: приборы и материалы для демонстрации опытов

2.                 Экран

3.                 Компьютер

4.                 Проектор

5.                 Слайды в виде презентаций

Тема занятия:              Механические и звуковые волны.

Типы волн. Громкость и высота звука.

Акустический резонанс.

I.                   Организационный момент (Готовность студентов к занятию)

II.               Изложение нового материала

Если в каком-нибудь месте твердой, жидкой или газообразной среды возбуждены колебания частиц, то вследствие взаимодействия атомов и молекул среды колебания начинают передаваться от одной точки к другой с конечной скоростью. Процесс распространения колебаний в упругой среде называется волной

Механические волны бывают разных видов:

1.     Если в волне частицы среды испытывают смещение в направлении, перпендикулярном направлению распространения, то волна называется поперечной. Примером волны такого рода могут служить волны, бегущие по натянутому резиновому жгуту или по струне.

Поперечные волны возникают в твёрдых телах и на поверхности жидкости.

2.     Если смещение частиц среды происходит в направлении распространения волны, то волна называется продольной. Волны в упругом стержне или звуковые волны в газе являются примерами таких волн.

Продольные волны возникают в твёрдых телах, внутри жидкости и в газах.

Как в поперечных, так и в продольных волнах переноса вещества в направлении распространения волны не происходит. В процессе распространения частицы среды лишь совершают колебания около положений равновесия. Однако волны переносят энергию колебаний от одной точки среды к другой.

Волна – это не перенос вещества, а передача энергии от одной частицы к другим соседним частицам.

Основной характеристикой волны является скорость. Скорость распространения волны зависит от плотности вещества и температуры. Волны в любой среде имеют конечную скорость. Чем плотнее среда, те быстрее происходит передача энергии от одной частицы к другим.

Т.к. в твёрдых телах распространяются и поперечные, и продольные волны, то скорость распространения продольных волн быстрее скорости распространения поперечных волн. Это обстоятельство учитывается для определения расстояния от очага землетрясения до сейсмической станции.

Расстояние между ближайшими частицами, колеблющимися в одинаковой фазе называется длиной волны и обозначается греческой

буквой λ (лямбда) и измеряется в СИ в метрах [м].

Т.к волна представляет собой колебательное движение то скорость определяется по формуле

                где Т –период колебаний.

, то         

III.           Первичное закрепление нового материала.

Ответить на вопросы:

1.     В каких упругих средах могут возникать поперечные волны? Продольные волны?

2.     Происходит ли перенос вещества и энергии при распространении волны?

3.     От чего зависит скорость распространения волны?

IV.            Изложение нового материала

Звук - это упругие волны в среде (часто в воздухе), которые невидимы, но воспринимаемые человеческим ухом (волна воздействует на барабанную перепонку уха). Звуковая волна является продольной волной сжатия и разрежения.

Если создать вакуум, то будем ли мы различать звуки? Роберт Бойль в 1660 году поместил часы в стеклянный сосуд. Откачав воздух, он не услышал звука. Опыт доказывает, что для распространения звука необходима среда.

Звук может также распространятся в жидкой и твердой среде. Под водой хорошо слышны удары камней. Положим часы на один конец деревянной доски. Приложив ухо к другому концу, можно ясно услышать тиканье часов. Поэтому звуковая волна является продольной.

Звуковая волна распространяется через дерево

Источник звука - это обязательно колеблющиеся тела. Например, струна на гитаре в обычном состоянии не звучит, но стоит нам заставить ее совершать колебательные движения, как возникает звуковая волна.

Однако опыт показывает, что не всякое колеблющееся тело является источником звука. Например, не издает звук грузик, подвешенный на нити. Дело в том, что человеческое ухо воспринимает не все волны, а только те, которые создают тела, колеблющиеся с частотой от 16Гц до 20000Гц. Такие волны называются звуковыми. Колебания с частотой меньше 16Гц называется инфразвуком. Колебания с частотой больше 20000Гц называются ультразвуком

Звуковые волны распространяются не мгновенно, а с некоторой конечной скоростью (аналогично скорости равномерного движения).

Именно поэтому во время грозы мы сначала видим молнию, то есть свет (скорость света гораздо больше скорости звука), а затем доносится звук.

Скорость звука зависит от среды: в твердых телах и жидкостях скорость звука значительно больше, чем в воздухе. Это табличные измеренные постоянные. С увеличением температуры среды скорость звука возрастает, с уменьшением - убывает.

Vв воздухе = 331 м/с  Vв воде = 1435 м/с Vв стали = 4980 м/с

При температуре 20о С

Звуки бывают разными. Для характеристики звука вводят специальные величины: громкость, высота и тембр звука.

Громкость звука зависит от амплитуды колебаний: чем больше амплитуда колебаний, тем громче звук. Кроме того, восприятие громкости звука нашим ухом зависит от частоты колебаний в звуковой волне. Более высокочастотные волны воспринимаются как более громкие.

Частота звуковой волны определяет высоту тона. Чем больше частота колебаний источника звука, тем выше издаваемый им звук. Человеческие голоса по высоте делят на несколько диапазонов.

Звуки от разных источников представляет собой совокупность гармонических колебаний разных частот. Составляющая наибольшего периода (наименьшей частоты) называется основным тоном. Остальные составляющие звука - обертонами. Набор этих составляющих создает окраску, тембр звука. Совокупность обертонов в голосах разных людей хоть немного, но отличается, это и определяет тембр конкретного голоса.

Наложение нескольких звуковых волн различных частот друг на друга называется шумом. Шипение, свист, скрип, скрежет – это всё шум.

Эхо образуется в результате отражения звука от различных преград - гор, леса, стен, больших зданий и т.п. Эхо возникает только в том случае, когда отраженный звук воспринимается раздельно от первоначально произнесенного звука. Если отражающих поверхностей много, и они находятся на разных расстояниях от человека, то отраженные звуковые волны дойдут до него в разные моменты времени. В этом случае эхо будет многократным. Препятствие должно находится на расстоянии 11м от человека, чтобы можно было услышать эхо.

Отражение звука. Звук отражается от гладких поверхностей. Поэтому при использовании рупора звуковые волны не рассеиваются во все стороны, а образуют узконаправленный пучок, за счет чего мощность звука увеличивается, и он распространяется на большее расстояние.

Некоторые животные (например, летучая мышь, дельфин) издают ультразвуковые колебания, затем воспринимают отраженную волну от препятствий. Так они определяют местоположение и расстояние до окружающих предметов.

Акустический резонанс — это совпадение частоты внешней вынуждающей силы (акустической волны) с собственной частотой колебательной системы, что приводит к резкому ее увеличению. Явление резонанса тесно связано со способностью звука отражаться.

Если ударить молоточком по одному камертону. То через некоторое время зазвучит другой. Один камертон является внешней силой, а другой колебательной системой.

Акустический резонанс применяется во всех музыкальных инструментах.

Применение звуковых волн:

1.           Эхолокация- это способ определения местоположения тел по отраженным от них ультразвуковым сигналам. Широко применяется в мореплавании. На судах устанавливают гидролокаторы - приборы для распознавания подводных объектов и определения глубины и рельефа дна. На дне судна помещают излучатель и приемник звука. Излучатель дает короткие сигналы. Анализируя время задержки и направление возвращающихся сигналов, компьютер определяет положение и размер объекта отразившего звук.
2.           Ультразвук используется для обнаружения и определения различных повреждений в деталях машин (пустоты, трещины и др.). Прибор, используемый для этой цели, называется ультразвуковым дефектоскопом. На исследуемую деталь направляется поток коротких ультразвуковых сигналов, которые отражаются от находящихся внутри нее неоднородностей и, возвращаясь, попадают в приемник. В тех местах, где дефектов нет, сигналы проходят сквозь деталь без существенного отражения и не регистрируются приемником.
3.           Ультразвук широко используется в медицине для постановки диагноза и лечения некоторых заболеваний. В отличие от рентгеновских лучей его волны не оказывают вредного влияния на ткани. Диагностические ультразвуковые исследования (УЗИ) позволяют без хирургического вмешательства распознать патологические изменения органов и тканей. Специальное устройство направляет ультразвуковые волны с частотой от 0,5 до 15МГц на определенную часть тела, они отражаются от исследуемого органа и компьютер выводит на экран его изображение.
4.           Для инфразвука характерно малое поглощение в различных средах вследствие чего инфразвуковые волны в воздухе, воде и земной коре могут распространятся на очень далекие расстояния. Это явление находит практическое применение при определении мест сильных взрывов или положения стреляющего оружия. Распространение инфразвука на большие расстояния в море дает возможность предсказания стихийного бедствия - цунами. Медузы, ракообразные и др. способны воспринимать инфразвуки и задолго до наступления шторма чувствуют его приближение.

V.                Вторичное закрепление нового материала

Решение задач

1.     По поверхности воды в озере волна распространяется со скоростью

6 м/с. Каковы период и частота колебаний бакена, если длина

волны 3 м?

Дано: v = 6 м/с. λ = 3 м	Решение
Т =? ν =?

2.     На озере в безветренную погоду с лодки сбросили тяжёлый якорь. От места бросания пошли волны. Человек, стоящий на берегу, заметил, что волна дошла до него через 50 с, расстояние между соседними горбами волн 0,5 м, а за 5 с было 20 всплесков о берег. Как далеко от берега находилась лодка?

Дано: t1 = 50 с λ = 0,5 м t2 = 5 с n = 20	Решение S=v·t1 S=2 м|c·50 с = 100 м
S =?

3.     Частотный диапазон рояля от 90 до 9000 Гц. Найдите диапазон длин волн звука рояля.

Дано: ν1 = 90 Гц ν2 = 9000 Гц	Решение Т.к. звуковые волны рояля распространяются в воздухе, то в формуле используем скорость звука в воздухе
λ1 = ? λ2 = ?

4.     Расстояние до преграды 116 м. Через сколько времени человек услышит эхо?

Дано: S=116 м Vв воздухе = 331 м/с	Решение  Эхо – это отражённая звуковая волна от преграды. Поэтому чтобы услышать эхо звук должен пройти двойное расстояние.
t =?

VI.            Задание на дом

В.Ф. Дмитриева «Физика» §§ 15.1 -15.4

VII.        Итог занятия

Анализ проделанной работы.