Звуковая волна (звуковые колебания) — это передающиеся в пространстве механические колебания молекул вещества (например, воздуха).
Но далеко не всякое колеблющееся тело является источником звука. Например, не издает звука колеблющийся грузик, подвешенный на нити или пружине. Перестанет звучать и металлическая линейка, если переместить ее в тисках вверх и тем самым удлинить свободный конец настолько, чтобы частота его колебаний стала меньше 20 Гц. Исследования показали, что человеческое ухо способно воспри¬нимать как звук механические колебания тел, происходящие с час¬тотой от 20 Гц до 20000 Гц. Поэтому колебания, частоты которых находятся в этом диапазоне, называются звуковыми. Механические колебания, частота которых превышает 20 000 Гц, называются ультразвуковыми, а колебания с частотами менее 20 Гц — инфразвуковыми. Следует отметить, что указанные границы звукового диапазона условны, так как зависят от возраста людей и индивидуальных особенностей их слухового аппарата. Обычно с возрастом верхняя частотная граница воспринимаемых звуков значительно понижается — некоторые пожилые люди могут слышать звуки с частотами, не превышающими 6000 Гц. Дети же, наоборот, могут воспринимать звуки, частота которых несколько больше 20000 Гц. Колебания, частоты которых больше 20 000 Гц или меньше 20 Гц, слышат некоторые животные. Мир наполнен самыми разнообразными звуками: тиканье часов и гул моторов, шелест листьев и завывание ветра, пение птиц и голоса людей. О том, как рождаются звуки, и что они собой представляют, люди начали догадываться очень давно. Замечали, к примеру, что звук создают вибрирующие в воздухе тела. Еще древнегреческий философ и ученый-энциклопедист Аристотель, исходя из наблюдений, верно объяснял природу звука, полагая, что звучащее тело создает попеременное сжатие и разрежение воздуха. Так, колеблющаяся струна то уплотняет, то разрежает воздух, а благодаря упругости воздуха эти чередующиеся воздействия передаются дальше в пространство — от слоя к слою, возникают упругие волны. Достигая нашего уха, они воздействуют на барабанные перепонки и вызывают ощущение звука. На слух человек воспринимает упругие волны, имеющие частоту в пределах примерно от 16 Гц до 20 кГц (1 Гц — 1 колебание в секунду). В соответствии с этим упругие волны в любой среде, частоты которых лежат в указанных пределах, называют звуковыми волнами или просто звуком. В воздухе при температуре 0° С и нормальном давлении звук распространяется со скоростью 330 м/с, в морской воде — около 1500 м/с, в некоторых металлах скорость звука достигает 7000 м/с. Упругие волны с частотой меньше 16 Гц называют инфразвуком, а волны, частота которых превышает 20 кГц, — ультразвуком.
Источником звука в газах и жидкостях могут быть не только вибрирующие тела. Например, свистят в полете пуля и стрела, завывает ветер. И рев турбореактивного самолета складывается не только из шума работающих агрегатов — вентилятора, компрессора, турбины, камеры сгорания и т. д., но также из шума реактивной струи, вихревых, турбулентных потоков воздуха, возникающих при обтекании самолета на больших скоростях. Стремительно несущееся в воздухе или в воде тело как бы разрывает обтекающий его поток, периодически порождает в среде области разрежения и сжатия. В результате возникают звуковые волны. Звук может распространяться в виде продольных и поперечных волн. В газообразной и жидкой среде возникают только продольные волны, когда колебательное движение частиц происходит лишь в том направлении, в каком распространяется волна. В твердых телах помимо продольных возникают также и поперечные волны, когда частицы среды колеблются в направлениях, перпендикулярны к направлению распространения волны. Там ударяя по струне перпендикулярно ее направлению, мы заставляем бежать волну вдоль струны. Человеческое ухо неодинаково восприимчиво к звукам разной частоты. Наиболее чувствительно оно к частотам от 1000 до 4000 Гц. При очень большой интенсивности волны перестают восприниматься как звук, вызывая в ушах ощущение давящей боли. Величину интенсивности звуковых волн, при которой это происходит, называют порогом болевого ощущения. Важны в учении о звуке также понятия тона и тембра звука. Всякий реальный звук, будь то голос человека или игра музыкального инструмента, — это не простое гармоническое колебание, а своеобразная смесь многих гармонических колебаний с определенным набором частот. То из них, которое имеет наиболее низкую частоту, называют основным тоном, другие — обертонами. Разное количество обертонов, присущих тому или иному звуку, придает ему особую окраску — тембр. Отличие одного тембра от другого обусловлено не только числом, но и интенсивностью обертонов, сопровождающих звучание основного тона. По тембру мы легко отличаем звуки скрипки и рояля, гитары и флейты, узнаем голоса знакомых людей.
- Частотой колебаний называют количество полных колебаний в секунду. За единицу измерения частоты принят 1 герц (Гц). 1 герц соответствует одному полному (в одну и другую сторону) колебанию, происходящему за одну секунду.
- Периодом называют время (с), в течение которого происходит одно полное колебание. Чем больше частота колебаний, тем меньше их период, т.е. f=1/T. Таким образом, частота колебаний тем больше, чем меньше их период, и наоборот. Голос человека создает звуковые колебания частотой от 80 до 12000 Гц, а слух воспринимает звуковые колебания в диапазоне 16-20000 Гц.
- Амплитудой колебаний называют наибольшее отклонение колеблющегося тела от его первоначального (спокойного) положения. Чем больше амплитуда колебания, тем громче звук. Звуки человеческой речи представляют собой сложные звуковые колебания, состоящие из того или иного количества простых колебаний, различных по частоте и амплитуде. В каждом звуке речи имеется только ему свойственное сочетание колебаний различной частоты и амплитуды. Поэтому форма колебаний одного звука речи заметно отличается от формы другого, на котором изображены графики колебаний при произношении звуков а, о и у.
Любые звуки человек характеризует в соответствии со своим восприятием по уровню громкости и высоте.
Источники звука.
Звуковые колебания
Конспект урока.
1.Организационный момент
Здравствуйте, ребята! Наш урок имеет широкое практическое применение в повседневной практике. Поэтому ваши ответы будут зависеть от наблюдательности в жизни и от умения анализировать свои наблюдения.
2. Повторение опорных знаний.
На экране проектора высвечиваются слайды №1, 2, 3, 4, 5 (приложение 1).
Ребята, перед вами кроссворд, разгадав который вы узнаете ключевое слово урока.
1-й фрагмент: назовите физическое явление
2-й фрагмент: назовите физический процесс
3-й фрагмент: назовите физическую величину
4-й фрагмент: назовите физический прибор
Р | З | Н | ||||||||
В | ||||||||||
У | ||||||||||
К |
Обратите внимание на выделенное слово. Это слово «ЗВУК», оно является ключевым словом урока. Наш урок посвящён звуку и звуковым колебаниям. Итак, тема урока «Источники звука. Звуковые колебания». На уроке вы узнаете, что является источником звука, что такое звуковые колебания их возникновение и некоторые практические применения в вашей жизни.
3. Объяснение нового материала.
Проведём опыт. Цель опыта: выяснить причины возникновения звука.
Опыт с металлической линейкой (приложение 2).
Что вы наблюдали? Какой можно сделать вывод?
Вывод: колеблющееся тело создаёт звук.
Проведём следующий опыт. Цель опыта: выяснить, всегда ли звук создаётся колеблющимся телом.
Прибор, который вы видите перед собой, называется камертон.
Опыт с камертоном и теннисным шариком, повешенным на нити (приложение 3).
Вы слышите звук, который издаёт камертон, но колебаний камертона не заметно. Чтобы убедиться в том, что камертон колеблется, осторожно пододвинем его к тенистому шарики подвешенному на нити и увидим, что колебания камертона передались шарику, который пришёл в периодическое движение.
Вывод: звук порождается любым колеблющимся телом.
Мы живём в океане звуков. Звук создаётся источниками звука. Существуют как искусственные, так и естественные источники звука. К естественным источникам звука относятся голосовые связки (приложение 1 – слайд №6).Воздух, которым мы дышим, выходит из лёгких через дыхательные пути в гортань. В гортани находятся голосовые связки. Под давлением выдыхаемого воздуха они начинают колебаться. Роль резонатора играют полости рта и носа, а также грудь. Для членораздельной речи кроме голосовых связок необходимы также язык, губы, щёки, мягкое нёбо и надгортанник.
К естественным источникам звука относятся также жужжание комара, мухи, пчелы (колеблются крылья ).
Вопрос: за счёт чего создаётся звук.
(Воздух в шарике находится под давлением в сжатом состоянии. Затем, резко расширяется и создаёт звуковую волну.)
Итак, звук создаёт не только колеблющееся, но и резко расширяющееся тело. Очевидно, что во всех случаях возникновения звука происходит перемещение слоёв воздуха, т. е. возникает звуковая волна.
Звуковая волна невидимая, её только можно услышать, а также зарегистрировать физическими приборами. Для регистрации и исследования свойств звуковой волны применим компьютер, который в настоящее время широко применяется учёными-физиками для исследований. На компьютере установлена специальная исследовательская программа, а также подключен микрофон, который улавливает звуковые колебания (приложение 4). Посмотрите на экран. На экране вы видите графическое представление звукового колебания. Что представляет собой данный график? (синусоиду)
Проведем опыт с камертоном с пером. Резиновым молоточком ударяем по камертону. Учащиеся видят колебания вилки камертона, но звука не слышат.
Вопрос: Почему колебания есть, а звук вы не слышите?
Оказывается, ребята, человеческое ухо воспринимает звуковые диапазоны в пределах от 16 Гц доГц, это слышимый звук.
Послушайте их через компьютер и уловите изменение частот диапазона (приложение 5). Обратите внимание на то, как меняется вид синусоиды при изменении частоты звуковых колебаний (период колебаний уменьшается, а следовательно частота увеличивается).
Есть неслышимые звуки для человеческого уха. Это инфразвук (диапазон колебаний меньше 16 Гц) и ультразвук (диапазон большеГц). Схему частотных диапазонов вы видите на доске, зарисуйте её в тетрадь (приложение 5). Исследуя инфра и ультразвуки учёные открыли много интересных особенностей этих звуковых волн. Об этих интересных фактах нам расскажут ваши одноклассники (приложение 6).
4. Закрепление изученного материала.
Для закрепления изученного материала на уроке предлагаю сыграть в игру ВЕРНО-НЕВЕРНО. Я зачитываю ситуацию, а вы поднимаете табличку с надписью, ВЕРНО или НЕВЕРНО, и поясняете свой ответ.
Вопросы. 1. Верно ли, что источником звука является любое колеблющееся тело? (верно).
2. Верно ли, что в зале, заполненном публикой, музыка звучит громче, чем в пустом? (неверно, т. к. пустой зал действует как резонатор колебаний).
3. Верно ли, что комар быстрее машет крыльями, чем шмель? (верно, т. к. звук, производимый комаром выше, следовательно, выше и частота колебаний крыльев).
4. Верно ли, что колебания звучащего камертона быстрее затухают, если его ножку поставить на стол? (верно, т. к. колебания камертона передаются столу).
5. Верно ли, что летучие мыши видят с помощью звука? (верно, т. к. летучие мыши излучают ультразвук, а затем слушают отражённый сигнал).
6. Верно ли, что некоторые животные «предсказывают» землетрясение с помощью инфразвука? (верно, например, слоны чувствуют землетрясение за несколько часов и при этом крайне возбуждены).
7.Верно ли, что инфразвук вызывает психические расстройства у людей? (верно, в Марселе (Франция) рядом с научным центром была построена небольшая фабрика. Вскоре после ее пуска в одной из научных лабораторий обнаружили странные явления. Пробыв в ее помещении пару часов, исследователь становился абсолютно тупым: он с трудом решал даже несложную задачу).
И в заключение предлагаю вам из разрезанных букв, путём перестановки получить ключевые слова урока.
КВЗУ – ЗВУК
РАМТНОКЕ – КАМЕРТОН
ТРЬАКЗУВЛУ – УЛЬТРАЗВУК
ФРАКВЗУНИ - ИНФРАЗВУК
ОКЛАБЕИНЯ – КОЛЕБАНИЯ
5. Подведение итогов урока и домашнее задание.
Итоги урока. На уроке мы выяснили, что:
Что любое колеблющееся тело создаёт звук;
Звук распространяется в воздухе в виде звуковых волн;
Звуки бывают слышимые и неслышимые;
Ультразвук – это неслышимый звук, частота колебаний которого выше 20кГц;
Инфразвук – это неслышимый звук с частотой колебаний ниже 16Гц;
Ультразвук широко применяется в науке и технике.
Домашнее задание:
1. §34, упр. 29 (Пёрышкин 9 кл.)
2. Продолжить рассуждение:
Я слышу звук: а)мухи; б)упавшего предмета; в)грозы, потому что ….
Я не слышу звук: а)от взлезающего голубя; б)от парящего в небе орла, потому что…
С помощью данного видеурока вы сможете изучить тему «Источники звука. Звуковые колебания. Высота, тембр, громкость». На этом занятии вы узнаете, что такое звук. Также мы рассмотрим диапазоны звуковых колебаний, воспринимаемые человеческим слухом. Определим, что может быть источником звука и какие необходимы условия для его возникновения. Также изучим такие характеристики звука, как высота, тембр и громкость.
Тема урока посвящена источникам звука, звуковым колебаниям. Поговорим мы и о характеристиках звука - высоте, громкости и тембре. Прежде чем говорить о звуке, о звуковых волнах, давайте вспомним, что механические волны распространяются в упругих средах. Часть продольных механических волн, которая воспринимается человеческими органами слуха, называется звуком, звуковыми волнами. Звук - это воспринимаемые человеческими органами слуха механические волны, которые вызывают звуковые ощущения .
Опыты показывают, что человеческое ухо, органы слуха человека воспринимают колебания частотами от 16 Гц до 20000 Гц. Именно этот диапазон мы и называем звуковым. Конечно, существуют волны, частота которых меньше 16 Гц (инфразвук) и больше 20000 Гц (ультразвук). Но этот диапазон, эти разделы человеческим ухом не воспринимаются.
Рис. 1. Диапазон слышимости человеческого уха
Как мы говорили, области инфразвука и ультразвука человеческими органами слуха не воспринимаются. Хотя могут восприниматься, например, некоторыми животными, насекомыми.
Что такое ? Источниками звука могут быть любые тела, которые совершают колебания со звуковой частотой (от 16 до 20000 Гц)
Рис. 2. Зажатая в тиски колеблющаяся линейка может быть источником звука
Обратимся к опыту и посмотрим, как образуется звуковая волна. Для этого нам потребуется металлическая линейка, которую мы зажмем в тиски. Теперь, воздействуя на линейку, мы сможем наблюдать колебания, но никакого звука не слышим. И тем не менее вокруг линейки создается механическая волна. Обратите внимание, когда линейка смещается в одну сторону, здесь образуется уплотнение воздуха. В другую сторону - тоже уплотнение. Между этими уплотнениями образуется разряжение воздуха. Продольная волна - это и есть звуковая волна, состоящая из уплотнений и разряжений воздуха . Частота колебаний линейки в данном случае меньше звуковой частоты, поэтому мы не слышим этой волны, этого звука. На основе опыта, который мы только что пронаблюдали, в конце XVIII века был создан прибор, который называется камертон.
Рис. 3. Распространение продольных звуковых волн от камертона
Как мы убедились, звук появляется в результате колебаний тела со звуковой частотой. Распространяются звуковые волны во все стороны. Между слуховым аппаратом человека и источником звуковых волн обязательно должна быть среда. Эта среда может газообразной быть, жидкой, твердой, но это обязательно должны быть частицы, способные передавать колебания. Процесс передачи звуковых волн должен обязательно происходить там, где есть вещество. Если вещества нет, никакого звука мы не услышим.
Для существования звука необходимы:
1. Источник звука
2. Среда
3. Слуховой аппарат
4. Частота 16-20000 Гц
5. Интенсивность
Теперь перейдем к обсуждению характеристик звука. Первая - это высота звука. Высота звука - характеристика, которая определяется частотой колебаний . Чем больше частота у тела, которое производит колебания, тем звук будет выше. Давайте вновь обратимся к линейке, зажатой в тиски. Как мы уже говорили, мы видели колебания, но не слышали звука. Если теперь длину линейки сделать меньше, то мы будем слышать звук, но увидеть колебания будет гораздо сложнее. Посмотрите на линейку. Если мы подействуем на нее сейчас, звука никакого мы не услышим, но зато наблюдаем колебания. Если укоротим линейку, мы услышим звук определенной высоты. Мы можем сделать длину линейки еще короче, тогда мы услышим звук еще большей высоты (частоты). То же самое мы можем пронаблюдать и с камертонами. Если мы возьмем большой камертон (он еще называется демонстрационный) и ударим по ножкам такого камертона, то можем пронаблюдать колебание, но звука не услышим. Если возьмем другой камертон, то, ударив по нему, услышим определенный звук. И следующий камертон, настоящий настроечный камертон, который используется для настройки музыкальных инструментов. Он издает звук, соответствующий ноте ля, или, как говорят еще, 440 Гц.
Следующая характеристика - тембр звука. Тембром называется окраска звука . Как можно проиллюстрировать эту характеристику? Тембр - это то, чем отличаются два одинаковых звука, исполненные различными музыкальными инструментами. Вы все знаете, что нот у нас всего семь. Если мы услышим одну и ту же ноту ля, взятую на скрипке и на фортепиано, то мы отличим их. Мы сразу сможем сказать, какой инструмент этот звук создал. Именно эту особенность - окраску звука - и характеризует тембр. Нужно сказать, что тембр зависит от того, какие воспроизводятся звуковые колебания, кроме основного тона. Дело в том, что произвольные звуковые колебания довольно сложные. Они состоят из набора отдельных колебаний, говорят спектра колебаний . Именно воспроизведение дополнительных колебаний (обертонов) и характеризует красоту звучания того или иного голоса или инструмента. Тембр является одним из основных и ярких проявлений звука.
Еще одна характеристика - громкость. Громкость звука зависит от амплитуды колебаний . Давайте посмотрим и убедимся, что громкость связана с амплитудой колебаний. Итак, возьмем камертон. Сделаем следующее: если ударить по камертону слабо, то амплитуда колебаний будет небольшая и звук будет тихий. Если теперь по камертону ударить сильнее, то и звук гораздо громче. Это связано с тем, что амплитуда колебаний будет гораздо больше. Восприятие звука - вещь субъективная, зависит от того, каков слуховой аппарат, каково самочувствие человека.
Список дополнительной литературы:
А так ли хорошо знаком вам звук? // Квант. — 1992. — № 8. — C. 40-41. Кикоин А.К. О музыкальных звуках и их источниках // Квант. — 1985. — № 9. — С. 26-28. Элементарный учебник физики. Под ред. Г.С. Ландсберга. Т. 3. - М., 1974.
Звук , как мы помним, является упругими продольными волнами. А волны порождаются колеблющимися предметами.
Примеры источников звука : колеблющаяся линейка, один конец которой зажат, колеблющиеся струны, мембрана динамика.
Но не всегда колеблющиеся предметы порождают слышимый ухом звук – если частота их колебаний ниже 16 Гц, то они порождают инфразвук , а если больше 20кГц, то ультразвук .
Ультразвук и инфразвук – с точки зрения физики такие же упругие колебания среды, как и обычный звук, но ухо не способно их воспринять, так как эти частоты слишком далеки от резонансной частоты барабанной перепонки (перепонка просто не может колебаться с такой частотой).
Звуки высокой частоты ощущаются как более тонкие, звуки низкой частоты – как более басовитые.
Если колебательная система совершает гармонические колебания одной частоты, то её звук называется чистым тоном . Обычно источники звука издают звуки сразу нескольких частот – тогда наименьшая частота называется основным тоном , а остальные называются обертонами . Обертона определяют тембр звука – именно из-за них мы легко отличим пианино от скрипки, даже когда основная частота у них одинаковая.
Громкость звука – это субъективное ощущение, позволяющее сравнивать звуки как «более громкие» и «менее громкие». Громкость зависит от многих фактором – он частоты, от длительности, от индивидуальных особенностей слушателя. Но сильнее всего она зависит от звукового давления, которое напрямую связано с амплитудой колебаний того предмета, что издаёт звук.
Единица измерения громкости называется сон .
В практических задачах обычно используют величину, называемую уровень громкости или уровень звукового давления . Измеряется эта величина в белах [Б] или, чаще, в децибелах [дБ] .
Эта величина логарифмически зависит от звукового давления – то есть увеличение давления в 10 раз увеличивает уровень громкости на 1 дБ.
Звук листания газеты – это примерно 20 дБ, будильник – 80 дБ, звук взлетающего самолёта – это 100-120 дБ (на грани болевых ощущений).
Одно из необычных применений звука (точнее ультразвука) – это эхолокация . Можно издать звук и измерить время, через которое придёт эхо. Чем больше расстояние до препятствия, тем больше будет задержка. Обычно такой способ измерения расстояний используется под водой, но летучие мыши применяют его прямо в воздухе.
Расстояние при эхолокации определяется следующим образом:
2r = vt
, где v – скорость звука в среде, t – время задержки до эха, r – расстояние до преграды.
Прежде чем понять, какие источники звука бывают, задумайтесь, что такое звук? Мы знаем, что свет это излучение. Отражаясь от предметов, это излучение попадает к нам в глаза, и мы можем его видеть. Вкус и запах это маленькие частички тел, которые воспринимают наши соответствующие рецепторы. А звук это что за зверь?
Звуки передаются по воздуху
Вы наверняка видели, как играют на гитаре. Возможно, вы и сами умеете это делать. Важно другое звук в гитаре издают струны, если их дернуть. Все верно. А вот если бы вы могли поместить гитару в вакуум и дернуть струны, то вы бы очень удивились никакого звука гитара не издала бы.
Такие опыты проводились с самыми различными телами, и всегда результат был один никакого звука в безвоздушном пространстве не было слышно. Отсюда следует логичный вывод звук передается по воздуху. Следовательно, звук это нечто, происходящее с частицами веществ воздуха и издающих звук тел.
Источники звука - колеблющиеся тела
Далее. В результате самых разнообразных многочисленных экспериментов удалось установить, что звук возникает вследствие колебания тел . Источниками звука являются тела, которые колеблются. Эти колебания передаются молекулами воздуха и наше ухо, воспринимая эти колебания, интерпретирует их в понятные нам ощущения звука.
Проверить это не сложно. Возьмите стеклянный или хрустальный бокал и поставьте его на стол. Легонько стукните по нему металлической ложечкой. Вы услышите длинный тонкий звук. Теперь дотроньтесь рукой до бокала и стукните еще раз. Звук изменится и станет намного короче.
А теперь пусть несколько человек обхватят руками бокал максимально полностью, вместе с ножкой, стараясь не оставить ни одного свободного участка, кроме совсем маленького места для удара ложечкой. Вновь ударьте по бокалу. Вы почти не услышите никакого звука, а тот, что будет - получится слабым и очень коротким. О чем это говорит?
В первом случае после удара бокал свободно колебался, его колебания передавались по воздуху и достигали наших ушей. Во втором случае большая часть колебаний поглощалась нашей рукой, и звук стал гораздо короче, так как уменьшились колебания тела. В третьем случае практически все колебания тела моментально поглотились руками всех участников и тело почти не колебалось, а следовательно, звука почти не издавало.
То же самое касается всех иных экспериментов, которые вы можете придумать и провести. Колебания тел, передаваясь молекулам воздуха, будут восприниматься нашими ушами, и интерпретироваться мозгом.
Звуковые колебания разной частоты
Итак, звук это колебания. Источники звука передают звуковые колебания по воздуху к нам. Почему же тогда мы слышим далеко не все колебания всех предметов? А потому что колебания бывают разной частоты.
Воспринимаемый человеческим ухом звук это звуковые колебания частотой примерно от 16 Гц до 20 кГц. Дети слышат звуки более высоких частот, чем взрослые, а диапазоны восприятия различных живых существ вообще различаются очень сильно.