DANE INFORMACYJNE

2. DANE INFORMACYJNE • Nazwa szkoły: • Gimnazjum im. Adama Mickiewicza w Brodach • Gimnazjum nr 5 im. Tadeusza Kościuszki w Pile • ID grupy: 98/66 _MF_G2, 98/27_MF_G1 • Opiekun: Grażyna Nowak, Alicja Marcinek • Kompetencja: matematyczno – fizyczna • Temat projektowy: „W świecie dźwięków i ciszy” • Semestr/rok szkolny: semestr IV i V/rok szkolny 2011/2012

3. Spis treści: • Cele projektu • Wstęp – podstawowe informacje dotyczące ruchu drgającego • Rezonans mechaniczny • Fale mechaniczne –podstawowe pojęcia, rodzaje • Zjawiska, którym ulegają fale • Fala dźwiękowa – podstawowe definicje i własności • Jak słyszymy – budowa ucha • Głos ludzki – aparat mowy • Zjawisko dudnienia • Efekt Dopplera • Wykorzystanie fal dźwiękowych w diagnostyce medycznej • Sale koncertowe, ekrany akustyczne • Liczba macha, bariera dźwięku • Przykłady doświadczeń z zakresu ruchu drgającego • Przykłady zadań

4. Cele projektu

5. Zebranie i usystematyzowanie wiadomości dotyczących ruchu drgającego i falowego. • Wybór i przeprowadzenie doświadczeń badających ruch drgający i fale dźwiękowe. • Rozwiązywanie przykładowych zadań związanych z ruchem drgającym, falowym. • Poznanie wpływu hałasu na zdrowie człowieka i sposobów walki z hałasem.

6. Kształcenie umiejętności samodzielnego korzystania • z różnych źródeł informacji, gromadzenie, selekcjonowanie i przetwarzanie zdobytych informacji. • Doskonalenie umiejętności prezentacji zebranych materiałów. • Wyrabianie odpowiedzialności za pracę własną i całej grupy.

7. Ruch drgający – podstawowe pojęcia

8. RUCH DRGAJĄCY – ruch polegający na okresowych zmianach położenia układu (lub ciała). a) klocek drgający na sprężynie, b) drgający pręt , c) wahadło matematyczne , d) wahadło w zegarze, e) trampolina, f) resory w aucie, g) ruch struny instrumentu , h) bicie serca.

9. WIELKOŚCI OPISUJĄCE RUCH DRGAJĄCY: • Amplituda- odległość między maksymalnym wychylenie a położeniem równowagi,oznaczenie – A, jednostka - m, cm • Okres drgań --czas w którym ciało wykonuje jedno pełne drgnięcie,oznaczenie – T, jednostka- s • Częstotliwość– ilość pełnych drgnięć w ciągu 1sekundy,oznaczenie – f, jednostka – Hz (herc)

10. Aby doświadczalnie wyznaczyć częstotliwość drgań np. wahadła korzystamy ze wzoru: • Gdzie: • f – częstotliwość, • n – liczba drgań, • t – czas, w którym te drgania zostały wykonane. • Zależność między częstotliwością i okresem drgań wyraża wzór: • Gdzie: • T – okres

11. A to ciekawe… Heinrich Rudolf Hertz (1857 – 1894) był niemieckim fizykiem, który odkrył istnienie fal elektromagnetycznych i zbadał ich właściwości. Od jego nazwiska nazwano jednostkę częstotliwości.

12. Przykład: Dany wykres przedstawia drgania harmoniczne. Z danego wykresu odczytaj amplitudę, okres drgań oraz wyznacz częstotliwość: Odpowiedź: A = 1j. T = 100 s f = 0, 01 Hz

13. Rezonans mechaniczny • Rezonans mechaniczny to zjawisko pobudzenia do drgań ciała przez inne ciało drgające z częstotliwością równą częstotliwości drgań własnych ciała pobudzanego do drgań. Na przykład: regularne pchnięcia huśtawki z częstotliwością jej drgań własnych wzmacniają ruch. • Po czym można poznać, że zaszedł rezonans?- Po tym, że znacznie zwiększyła się amplituda drgań układu drgającego.

14. Ciekawostka • Pierwszego lipca 1940 roku został ukończony i otwarty most nad cieśniną Tacoma w Puget Sound w stanie Waszyngton. Przęsło tego mostu zajmowało wówczas pod względem długości trzecie miejsce na świecie. Zaledwie cztery miesiące później wichura wprawiła most w takie drgania, że jego główne przęsło zostało złamane. Most rozpadł się. W wyniku działania wiatru o stałej prędkości powstały drgania, które były w rezonansie z drganiami własnymi konstrukcji mostu. Spowodowało to tak silny wzrost amplitudy, że most został zniszczony. Po tym wypadku poprawiono konstrukcję wielu innych mostów. • W silne drgania może także wprowadzić most duża grupa ludzi pokonująca go równym krokiem. Regułą jest zatem, że maszerujący oddział wojska na moście otrzymuje komendę zmiany kroku na swobodny. Zaniedbanie tej reguły doprowadziło w przeszłości do wielu nieszczęśliwych wypadków.

16. Fale mechaniczne– podstawowe pojęcia

17. Fala mechaniczna (sprężysta) torozchodzące się w danym ośrodku zaburzenie sprężyste. • Dzięki sprężystości ośrodka drgania takie przekazywane są coraz to dalej położonym cząstkom i w ten sposób fala przechodzi przez ośrodek materialny.

18. Własności fal mechanicznych: • Każda fala rozchodzi się jedynie w ośrodku materialnym posiadającymsprężystość i bezwładność. • W próżni fale mechaniczne nie rozchodzą się, mogą natomiast rozchodzićsię w gazach, cieczach i ciałach stałych. • Sam ośrodek, jako całość, nie przesuwa się wraz z falą. Jego części wykonują jedynie drgania w ograniczonej części przestrzeni. • Fala (zaburzenie) przesuwa się od źródła (drgającego ciała przekazującegoswoje drgania cząsteczkom ośrodka) ruchem jednostajnym. • Fale mechaniczne przenoszą energię poprzez materię (ośrodek sprężysty) dzięki przemieszczaniu się w niej zaburzenia, a nie na skutek przenoszenia samej materii.

19. Przykładami fal mechanicznych są: • Fale morskie: • Fale sejsmiczne: • Fale dźwiękowe:

20. Wielkości opisujące fale

21. Do opisu fal używa się pojęć:a) okres: częstotliwośćb) amplitudac) długość falid) prędkość falie) promień fali, powierzchnia falowa, czoło fali • Amplituda (A)to maksymalne wychylenie cząstki ośrodka z położenia równowagi w czasie gdy przez ośrodek przechodzi fala. • Okres (T)to czas w jakim cząstka ośrodka, w którym rozchodzi się fala wykonuje jedno pełne drganie (przebywa drogę równą czterem amplitudom). • Częstotliwość fal fto odwrotność okresu.

22. Okresem fali nazywamy czas, w którym punkt ośrodka wykonuje jedno pełne drganie. • Dla fali oznacza to odcinek czasu pomiędzy dwoma punktami fali o tej samej fazie, czyli np. między dwoma kolejnymi szczytami lub dolinami. • Częstotliwość fali równa jest ilości drgań, jakie wykonują punkty ośrodka w ciągu jednostki czasu (najczęściej 1s). Z innymi parametrami ruchu okresowego wiążą go następujące zależności: gdzie: f - częstotliwość, gdzie: • λ - długość fali, • v - prędkość rozchodzenia się fali.

23. Długość fali- jest to droga, jaką przebywa fala w czasie jednego pełnego drgnienia. Oznaczamy ją symbolem λ (lambda). • Długość fali równa jest odległość pomiędzy jej sąsiednimi grzbietami lub dolinami, • Szybkość fali • Fala w danym ośrodku (jednorodnym) rozchodzi się z określoną stałą szybkością ruchem jednostajnym prostoliniowym. Wzory na długość fali: • v - szybkość fali, λ = v ∙ T • T - okres fali, λ = v : f • λ – długość fali • f - częstotliwość fali

24. Powierzchnia falowato zbiór punktów (cząstek) ośrodka, zachowujących się identycznie i jednakowo odległych od źródła faliNajbardziej odległa od źródła powierzchnię falową stanowią tzw. czoło fali(zbiór punktów, do których w danej chwili dociera fala).Promień fali, powierzchnię falową i czoło faliobrazują poniższe rysunki:

25. Czy wiesz, że? • Jeśli drgania źródła mają częstotliwość f, to z taką • samą częstotliwością drgają wszystkie punkty fali. • Amplituda drgań źródła A zwykle maleje w miarę oddalania się od niego, ale w jego pobliżu zwykle zakłada się, że jej zmiany są niewielkie. Zmniejszanie się amplitudy następuje z dwóch powodów: tarcia towarzyszącego drganiom oraz rozkładaniu się drgań na coraz większą powierzchnię. • Szybkość rozchodzenia się fali v zależy od jej rodzaju oraz od rodzaju ośrodka. Np. prędkość dźwięku w powietrzu wynosi ok. 340 m/s, w wodzie - 1500 m/s, zaś w stali - 5130 m/s. • Prędkość fali zależy też od temperatury ośrodka (rośnie z jej wzrostem) oraz od częstotliwości samej fali; tę ostatnią zależność nazywa się • dyspersją.

26. RODZAJE FAL

27. Fala podłużna • Kierunek drgań cząstek ośrodka jest w takiej fali zgodny z kierunkiem rozchodzenia się fali.

28. Fala poprzeczna • Kierunek drgań cząsteczek jest prostopadły do kierunku rozchodzenia się fali.

29. Ze względu na kształt, fale dzielimy na:

30. PŁASKIE • Takie fale można zobaczyć na morzu.

31. KOLISTE • Fale na wodzie powstałe np. po wrzuceniu • kamienia.

32. KULISTE • Fale rozchodzące się w powietrzu. Powstają podczas wybuchu.

33. ZJAWISKA, KTÓRYM ULEGAJĄ FALE

34. Odbicie fali • Polega na zmianie kierunku rozchodzenia się fali na granicy dwóch ośrodków. Fala odbita pozostaje w ośrodku, w którym się rozchodzi. • kąt padania = kątowi odbicia Prawo odbicia: Kąt padania fali jest równy kątowi odbicia tej fali; kąty te są zawarte pomiędzy normalną i odpowiednimi promieniami odbicia i padania.

35. Załamanie fali (inaczej refrakcja fali) • Polega na zmianie kierunku rozchodzenia się fali związanej ze zmianą jej prędkości, gdy przechodzi do innego ośrodka. • Zmiana prędkości powoduje • zmianę długości fali, a • częstotliwość pozostaje stała.

36. Dyfrakcja (ugięcie fali) • Zjawisko dyfrakcji polega na zmianie kierunku rozchodzenia się fali wtedy gdy fala przechodzi przez szczelinę (otwór) lub napotka na swej drodze krawędź przeszkody. dyfrakcja na krawędzi dyfrakcja na szczelinie

37. Jeżeli wiązka fal przechodzi przez szczelinę lub omija obiekt, to zachodzi zjawisko ugięcia. • Zgodnie z zasadą Huygensa fala • rozchodzi się w ten sposób, że • każdy punkt fali staje się nowym • źródłem fali kulistej. • Za przeszkodą fale nakładają się • na siebie zgodnie z zasadą • superpozycji. Przy spełnieniu • pewnych warunków za przeszkodą • pojawiają się obszary wzmocnienia • i osłabienia rozchodzących się fal (interferencja).

38. Interferencja • Jest to zjawisko powstawania nowego, przestrzennego układu fali w wyniku nakładania się (superpozycji) dwóch lub więcej fal. • Zjawisko interferencji zachodzi podczas • nakładania się fal tzw. spójnych, czyli fal • o tych samych częstotliwościach, • długościach, poruszających się z tymi • sami prędkościami (identyczne fale) • różniących się jedynie przebytą drogą • (mające stałą różnicę faz). • Interferencja fal spójnych daje stały przestrzennie • rozkład amplitudy fali.

39. Czy wiesz, że? • Wynikiem nałożenia fal spójnych jest wzmocnienie lub wygaszeniefal. • Wzmocnienie obserwuje się gdy różnica dróg przebytych przez fale jest całkowitą wielokrotnością długości fali, czyli s2 - s1 = nl, gdzie n = 0, 1, 2, 3, 4, ... i oznacza numer wzmocnienia (rząd). • Gdy różnica dróg przebytych przez fale jest nieparzystą wielokrotnością połówek długości fali, wtedy nastąpi wygaszenie fal. wzmocnienie wygaszenie

40. Szczególnym przypadkiem interferencji jest wynik nałożenia fali odbitej z falą padającą. Taka fala jest falą stojącą, której charakterystyczne miejsca tzw. węzły (wygaszenie) i strzałki (wzmocnienie) znajdują się w jednakowej odległości od siebie. • Węzły – punkty w fali stojącej o zerowej amplitudzie drgań.• Strzałki – miejsca w fali stojącej o maksymalnej amplitudzie.

41. Akustyka - dział fizyki badający teoretycznie i doświadczalnie zjawiska dźwiękowe, ultradźwiękowe i infradźwiękowe.

42. Czy wiesz, że? • Akustyka jest najstarszą dziedziną fizyki, o czym świadczy znana nam na ten temat wiedza z około 3000 roku p.n.e. Jednak dopiero starożytni Grecy - między innymi Terpander (VII wiek p.n.e.), Pitagoras (VI wiek p.n.e.), Didymos (I wiek p.n.e.) - stworzyli systemy dźwiękowe. • Dopiero wtedy zjawiska akustyczne zaczęto wykorzystywać przy opracowywaniu warunków dobrej słyszalności w amfiteatrach oraz tworzeniu instrumentów muzycznych.

43. Akustyka to termin oznaczający naukę o dźwięku, o tym jak jest odbierany. Słowo akustyka wywodzi się z greckiego akoustikos(związany ze słyszeniem) i akouo(słyszeć). • Źródłem dźwięku są ciała drgające, których energia jest dostateczna, aby wywołać w narządzie słuchu najsłabsze wrażenia słuchowe, np. • kamertonlubwidełkistroikowe • strunygłosowe • strunyinstrumentówmuzycznych • drgającamembranagłośnika • słuppowietrzaw instrumentachdętych

44. Fale dźwiękowe • Fale dźwiękowe są falami podłużnymi, rozchodzącymi się w ośrodkach sprężystych. • Ludzkie ucho rozpoznaje fale dźwiękowe o częstotliwości od około 20 Hz do około 20 000 Hz (zakres ten zależy od indywidualnych cechi może się trochę różnić dla konkretnego człowieka).

45. Fale dźwiękowe ze względu na częstotliwość f dzielimy na: • infradźwięki- (f < 16 Hz) • dźwięki słyszalne - (16 Hz < f < 20 kHz) • ultradźwięki- (f > 20 kHz) • hiperdźwięki - (f > 1 GHz)

46. Czy wiesz, że? • Większość ludzi słyszy dźwięki o częstotliwości od 20Hz do 20000Hz. Zakres ten nazywamy zakresem słyszalności ucha ludzkiego. Dźwięki o większej częstotliwości nazywamy ultradźwiękami. Dźwięki te słyszą są słyszalne dla niektórych zwierząt. Psy można przywołać gwizdkiem ultradźwiękowym, nietoperze posługują się ultradźwiękami do orientacji w terenie, a delfiny porozumiewają się w tym zakresie dźwięków. Są też dźwięki o mniejszej częstotliwości, nazywamy je infradźwiękami. Źródłem • Infradźwięków mogą być pracujące maszyny.

47. Cechy dźwięku: • Wysokość dźwięku- zależy od częstotliwości; (im większa częstotliwość fali, tym wyższy dźwięk) • Głośność dźwięku - zależy od natężenia; (jeśli rośnie natężenie fali, dźwięk jest głośniejszy, choć zależność między natężeniem a głośnością nie jest liniowa) • Barwa dźwięku - zależy od składu widmowego fali akustycznej. Pozwala np. odróżniać dźwięki wytwarzane przez różne źródła.

48. Związek pomiędzy obiektywnymi (fizycznymi wielkościami) i subiektywnymi cechami dźwięku. Obiektywne Subiektywne CZĘSTOTLIWOŚĆ WYSOKOŚĆ DŹWIĘKU NATĘŻENIE DŹWIĘKU GŁOŚNOŚĆ DŹWIĘKU WIDMO DŹWIĘKU BARWA DŹWIĘKU

49. Natężenie fali dźwiękowej Ponieważ ucho zbiera tę energię tylko z obszaru jaki samo zajmuje, więc dla wrażenia głośności istotna jest energia padająca w jednostce czasu na jednostkę powierzchni – natężenie dźwięku. Natężenie dźwięku– miara energii fali akustycznej, której jednostką jest W/m². Jest ona równa średniej wartości strumienia energii akustycznej przepływającego w czasie 1 s przez jednostkowe pole powierzchni (1 m²) zorientowanej prostopadle do kierunku rozchodzenia się fali.

50. SKALA DECYBELOWA Głośne dźwięki to dźwięki mające dużą energię, wzbudzające duże fale; Ciche dźwięki mają dużo mniej energii i wzbudzają mniejsze fale. Ilość energii w dźwięku można zmierzyć, ale głośność mierzy się zwykle w belach lub raczej w dziesiątych częściach bela zwanych decybelami (dB). Skala decybelowa jest logarytmiczna, to znaczy dźwięk 2 dB jest dziesięć razy głośniejszy niż dźwięk 1dB, a dźwięk 20 dB jest sto razy głośniejszy.