Конспект урока по теме: Распространение звука. Звуковые волны. Скорость звука. | План-конспект урока по физике (9 класс) по теме:
Конспект урока по теме: Распространение звука. Звуковые волны. Скорость звука.
Класс:9
Учитель: Добрынкина О.А.
Дата:30.01.2018
Цель урока: изучить процесс распространения звуковой волны, познакомить учащихся с условием возникновения звуковой волны, формулой расчета скорости волны, выяснить с какими скоростями распространяются звуковые волны в различных средах.
Задачи урока:
— обучающие: Сформировать у учащихся понятие об источниках звука и звуковых колебаниях, распространение звука, звуковой волне.
— воспитательные: Способствовать формированию коммуникативной культуры учащихся и воспитанию эстетического вкуса.
-развивающие: Способствовать формированию информационной культуры учащихся и развитию умения анализировать, сравнивать, делать выводы
Тип урока: комбинированный.
Метод проведения: Объяснительно – иллюстративный.
Формы работы учащихся: индивидуальная, фронтальная, групповая
Формируемые умения: Наблюдать, сравнивать, анализировать, синтезировать.
Оборудование: Интерактивная доска, персональный компьютер, виртуальная лаборатория, камертон, линейка .
План:
1.Организационный момент (2 минуты)
2. Актуализация знаний, проверка домашнего задания ( 10 минут)
3. Изучение нового материала (12 мин)
4. Закрепление изученного материла, проверочная работа (12 мин)
5.Рефлексия (2 минуты)
6. Домашнее задание (2 мин)
Ход урока:
- Организационный момент
Здравствуйте дорогие ребята и уважаемые гости, давайте улыбнемся друг другу. Пусть сегодняшний урок принесет нам всем радость общения. Сегодня на уроке, ребята, вас ожидает много интересных заданий, новых открытий, а помощниками вам будут: внимание, находчивость, смекалка.
- Актуализация знаний, проверка домашнего задания.
1.(фронтальный опрос).
Для проверки выполнения домашнего задания я предлагаю вам заполнить таблицу с пропусками которая представлена на доске, Это задание является заданием номер 1 из сборника ОГЭ.
Величины, описывающие колебания, потом — волны | Единицы измерения | Обозначения |
Амплитуда | м | А |
Частота | Гц | |
Период | с | Т |
Длина волны | м | |
Скорость | м/с | v |
В это же время второму ученику я предлагаю у доски будет решать задачу базового уровня обязательно
а).
Расстояние между ближайшими гребнями волн в море 10 м. Какова частота ударов волн о корпус лодки, если их скорость 3 м/с? (ответ: 0,3 Гц).
Учитель
1. Что такое механические волны?
2. Каких двух видов бывают механические волны?
3. Чем характеризуются продольные волны?
4. Что такое амплитуда, период, частота, длина волны, скорость волны? Какая связь между ними существует?
5. Как называются механические колебания, частота которых превышает 20 кГц, а колебания с частотами менее 20 Гц?
6. Чем характеризуются звуковые волны?
7. Что называется колебательным движением?
8. Какими физическими величинами описывают колебательное движение?
9. Что называется волной?
10. Назовите источник волн?
11. Какими физическими величинами описывают
волну?
Мы живем в мире самых разнообразных звуков, звуки нас окружают всегда и везде: тиканье часов и гул моторов, шелест листьев и завывание ветра, раскаты грома и журчание ручейка, пение птиц и голоса людей, звучание музыкальных инструментов и устройств.
На предыдущем уроке мы узнали об источниках звуков—-
Какие они бывают?…… Приведите примеры…..
Любая ли механическая волна является звуком?………
в подтверждение проведите опыт с линейкой
Проведем опыт с линейкой.
Опыт с линейкой – длинная линейка совершает колебания, которые не дают звука, а при колебаниях короткой линейки возникает звук. Почему?
Какой вывод мы можем с вами сделать?
- Изучение нового материала.
Учитель. Предлагает учащимся закрыть глаза и определить, что изображено на слайдах (демонстрируются слайды с воспроизведением естественных и искусственных звуков): http://muzofon.com/
звук лесного ручья, пение птиц — Слайд 2
звук шума дождя — Слайд 3
звук игры на гитаре — Слайд 4
шум морского прибоя — Слайд 5
звук игры на пианино — Слайд 6
звук пролетающего самолета — Слайд 7
Учащиеся. Слушают звуки.
Учитель. Как вы думаете, что было изображено на слайдах?
Учащиеся.
Ручей, птицы, дождь, гитара, пианино, самолет.
Учитель. Почему вы так решили?
Учащиеся. Мы слышали звуки: лесного ручья, пение птиц, шума дождя, игры на гитаре, морского прибоя, игры на пианино, пролетающего самолета.
Учитель. Как вы думаете, о каком виде волн мы будем говорить на уроке? Во всех ли средах волны распространяются одинаково?
Учащиеся. Мы будем говорить о звуковых волнах, распространении волн и скорости распространения.
Учитель. Предлагает прийти к единому мнению по формулировке цели и задач урока.
Учитель. Цель нашего урока «освоить основные теоретические знания о распространение звуков, звуковых волн и скорости звука, среды распространения волн ».
При изучении звуковых волн, необходимо:
- сформулировать понятие «звуковая волна»;
- рассмотреть среды распространения звука;
- назвать источники звука, виды волн;
- выбрать основные характеристики звука;
- изучить основные свойства звука;
- рассмотреть скорости распространения звука в различных средах.
Продолжим разговор о звуке как волновом явлении запишем тему урока: Звуковые волны. Распространение звука. Скорость звука. Учитель: Почему в туман гудки паровозов, пароходов слышны на более далеком расстоянии, чем в солнечную погоду. Ученик: т.к. воздух более разряжен Вывод: Наличие среды- необходимое условие распространения звука Учитель: Карманные часы, положите на одном конце стола, приложив ухо к другому концу стола, что мы слышим? Ученик: можно отчетливо услышать даже такой слабый звук, как тиканье карманных часов
|
, также слуга из рассказа
Медленнее всего звук распространяется в газах. Именно поэтому гром сильно запаздывает после вспышки молнии. Если гроза от нас далеко, то раскат грома можно услышать даже спустя 10-20 секунд.2.Человек услышал звук грома через 10 с после вспышки молнии. Считая, что скорость звука в воздухе 343 м/с, определите, на каком расстоянии от человека ударила молния? (3430 м.)
3. Определить длину звуковой волны при частоте 200 Гц, если скорость распространения волны равна 340 м/с.
4.Определите скорость звука в воде, если источник звука, колеблющийся с периодом 0,002 с, возбуждает в воде волны длиной 2,9 м.
Учитель. Предлагаю вам проверить знания, полученные на уроке: укажите один вариант правильного ответа в тесте «Звуковые волны. Скорость звука в различных средах». Прочитайте задание и выберите утверждения, напротив которых вы поставите цифру «1» – если утверждение верно или «0» – если утверждение неверно (приложение 1).
Сравните полученные вами результаты с ключом к тесту. Поставьте отметку «5», если нет ошибок, «4» – если допустили 1-2 ошибки, «3» – если 3-4 ошибки, ничего не ставьте, если ошибок более 4-х.
Тест «Звуковые волны. Скорость звука в различных средах»
1. Звуки, которые не слышит человек, – это инфразвуки и ультразвуки.
2. Характеристикой звука является отражение звука.
3. Звук распространяется в вакууме.
4. Порог слышимости – наименьшая интенсивность звука, необходимая для того, чтобы звук был услышан.
5.Высота звука зависит от частоты колебаний
6. Скорость волны измеряется в Герцах
7. Звук плохо распространяется в металлах..
8. Скорость звука в воздухе и в воде одинакова.
9. Звук распространяется в любой упругой среде.
Учащиеся. Выполняют тест. Сравнивают полученные результаты с ответами к тесту, представленные на слайде. Выставляют отметку.
Ключ к тесту: 100110001 |
- Рефлексия.
Учитель.
Выставить оценки за урок.
Домашнее задание.
Параграф 37,38, вопросы, упр.32(1,2).
Скорость звука. Звуковые эффекты в природе и технике
Для изучения окружающего нас мира человек получил в подарок от природы способность слышать. Благодаря этому мы обладаем возможностью наслаждаться трелью птиц и музыкальными произведениями, получать сигналы-предупреждения об опасности и общаться между собой.
Рассматривая природу звука, физики дали ответ, что мы имеем дело с механическими волнами. Для их распространения необходимо наличие упругой среды. Ответ на вопрос о том, какова скорость звука в вакууме для идеальных условий (полное отсутствие вещества) напрашивается сам собой. В вакууме он распространяться не может. Скорость звука, соответственно, приравнивается к нулю. Но это не значит, что в комическом пространстве отсутствуют акустические явления. Некоторые имеют вполне объяснимую природу и связаны непосредственно с освоением просторов космоса человеком.
Гул моторов в кораблях, звуковые вибрации внутри космических челноков. А некоторым явлениям ещё предстоит найти объяснение, к примеру, таким, как звуки, сопровождающие космические свечения, или низкочастотные «следы» космических кораблей.
В различных условиях скорость звука имеет определённые опытным путём величины. На его распространение влияет наличие препятствий. Учитывая то, что мы имеем дело с механическими волнами, можем проследить, как звук огибает эти препятствия. Это явление в отношении волн называется дифракцией. Низкие волны лучше поддаются ей, чем высокие. Хор, повернувший за угол, сначала «теряет» высокие голоса, а затем становится не слышно певцов с низким тембром.
О влиянии звуковых волн на здоровье человека задумывались ещё задолго до открытия инфразвука. С помощью генератора неслышных звуковых частот можно воздействовать на настроение большого скопления народа. Так, физику из Америки Роберту Вуду приписывают довольно необычный эксперимент. Он пронёс в театр инфразвуковой генератор, включил его и стал свидетелем того, как всех зрителей охватила необычная нервозность и беспокойство.
Даже такому феномену, как появление «летучих голландцев» – кораблей с погибшей командой, пытаются дать объяснение влиянием инфразвуковых частот, генерируемых морской пучиной во время шторма.
Учитывая природу распространения звуковых волн, можно сделать вывод, что скорость звука в различной среде имеет различную величину. Было замечено, что звук распространяется в газах с неодинаковой скоростью. При этом на данный показатель не оказывает влияние плотность газов, он зависит от массы молекул.
В жидкостях звук распространяется ещё быстрее. Вот только человеческое ухо плохо различает его в подобной среде. Звуковая волна, распространяемая в воде, практически полностью отражается от барабанной перепонки. Но еще Леонардо да Винчи нашёл оригинальный способ слушать подводные звуки. Для этого он предложил использовать опущенное в воду весло. Если сравнивать скорость звука в воздухе (331 м/с) и в воде (1435 м/с), то можно проследить явное преимущество более плотной среды для его распространения.
Твердые тела бьют все рекорды. Скорость распространения звука в них может достигать 5000 м/с. Интересный опыт можно проделать с обыкновенным рельсом, приложив к нему ухо. Если кто-то вдалеке ударит по нему молотком, то мы сможем отчётливо расслышать два удара. Первый – это звуковая информация, полученная путём распространения по металлу, а второй – волна, прибывшая по воздуху.
Для огромного количества физических явлений скорость звука является своеобразным эталоном, отправной точкой для сравнения. Современные истребители считают величайшим достижением свои сверхзвуковые способности. Измеряя время прохождения определённого участка звуковой волной, можно определять расстояние с достаточно высокой точностью.
Использование звуковых эффектов в различных сферах человеческой деятельности поражает своим многообразием.
Звуковая волна — это синхронное колебание атомов вещества относительно положения равновесия. Для распространения звука, очевидно, нужна материальная среда, поддерживающая эти колебания. В вакууме звук распространяться не может просто потому, что ее там нет. Однако, как выяснилось совсем недавно, звуковые колебания могут перескакивать из одного тела в другое через вакуумный зазор субмикронной толщины. Новый эффект работает за счет взаимодействия между звуковыми волнами в кристалле и электрическим полем. Колебания кристаллической решетки, добегая до торца одного кристалла, создают вблизи его поверхности переменные электрические поля. Эти поля «чувствуются» на другом краю вакуумного зазора и раскачивают колебания решетки во втором кристалле (см. рис. 1). В целом это выглядит так, словно отдельный фонон — «квант» колебания кристаллической решетки — перескакивает из одного кристалла в другой и распространяется в нём дальше, хотя в пространстве между кристаллами никакого фонона, конечно, нет. Авторы открытия использовали для описания эффекта слово «туннелирование», поскольку он очень похож на туннелирование квантовых частиц, когда они перескакивают через энергетически Конкретный механизм, приводящей к столь эффективной связи между колебанием кристалла и электрическими полями, может быть разный. В теоретической статьефинских исследователей предлагается для этой цели использовать пьезоэлектрики — вещества, которые электризуются при деформации и деформируются в электрическом поле.
В другой работе физики наткнулись на обсуждаемый эффект, изучая, казалось бы, совершенно технический вопрос: какой температурой обладает самый кончик теплой иглы Обычного теплового излучения, мысль о котором первым делом приходит в голову в таких ситуациях, оказалось совершенно недостаточно. По оценкам исследователей, теплопередача от иглы к подложке была в миллиарды (!) раз более эффективной, чем то, что смогло бы дать тепловое излучение. Этот факт, вкупе с результатами детальных измерений, свидетельствует о том, что и тут имеет место туннелирование фононов через вакуум. Авторы статьи объясняют динамику этого эффекта так. Любой заряд, поднесенный к металлической поверхности, наводит на ней заряд (в задачах по электростатике его часто моделируют фиктивным зарядом-изображением). По-видимому, для прикладных задач новый эффект будет интересен именно с точки зрения теплопередачи, которая в определенных ситуациях может идти намного эффективнее, чем считалось ранее. Это наблюдение будет очень важным при проектировании микромеханических устройств и при изучении теплопроводности поликристаллических образцов пьезоэлектриков. |
1. Туннелирование фононов через вакуумный зазор. Набегающая слева звуковая волна создает на поверхности переменные электрические поля, которые порождают синхронные колебания атомов во втором теле, справа. Изображение из обсуждаемой статьи Phys.Rev.Lett.105, 125501
Однако стоит подчеркнуть, что новое явление вполне описывается на языке классической физики и вовсе не требует привлечения квантовой механики. Оно в чём-то родственно явлению электромагнитной индукции, которое вовсю используется в трансформаторах, индукционных электроплитках и устройствах бесконтактной зарядки гаджетов. И там и тут некоторый процесс в одном теле порождает электромагнитные поля, которые безызлучательно (то есть без потери мощности на излучение) передаются через зазор во второе тело и вызывают в нём отклик. Разница лишь в том, что при обычной индуктивности «работает» электрический ток (то есть движение электронов), тогда как при вакуумном туннелировании фононов движутся сами атомы.
Самого по себе этого еще недостаточно: для эффективного перескока фононов через вакуумный зазор необходимо организовать резонанс между «набегающими» фононами, переменными электрическими полями и «убегающими» фононами в другом кристалле. Вычисления показывают, что при реалистичных параметрах веществ такой резонанс действительно существует, так что при определенных углах падения фононы могут туннелировать с вероятностью вплоть до 100%.
рис. 2)? С помощью тонких экспериментальных методов они смогли измерить температуру буквально самого последнего атома на острие иглы и обнаружили поразительный факт: этот атом находится при температуре подложки, а не иглы! Это означает, что бесконтактный теплообмен самого последнего атома острия с подложкой шел (через вакуум!) намного сильнее, чем с остальной частью острия.
Если исходный заряд дрожит, например, за счет тепловых колебаний, то и наведенный заряд тоже будет дрожать примерно с той же частотой и амплитудой (из-за того что электроны намного легче атомов, они успевают «подстроиться» под каждое движение атома). В результате получается, что прямо на поверхности подложки возникает некий электронный сгусток, который дрожит, словно «горячий» атом. Этот сгусток раскачивает колебания атомов на подложке, на них тратится энергия, она отбирается у электронного сгустка, а значит, и у исходно горячего атома — ведь он «жестко» связан со сгустком электрическими силами! Именно за счет этого механизма самый последний атом на острие умудряется сильно остыть, даже если остальная часть иглы теплая.
Кроме того, в микроустройствах, совмещающих пьезоэлектрические и металлические компоненты, в игру могут включиться и электроны. Все открывающиеся при этом перспективы для быстрой передачи энергии между электронами и фононами из одного вещества в другое через вакуум еще только предстоит изучить.Как звук распространяется в пространстве?
Звук распространяется посредством звуковых волн. Эти волны проходят не только сквозь газы и жидкости, но и через твердые тела. Действие любых волн заключается главным образом в переносе энергии. В случае звука перенос принимает форму мельчайших перемещений на молекулярном уровне.
В газах и жидкостях звуковая волна сдвигает молекулы в направлении своего движения, то есть в направлении длины волны. В твердых телах звуковые колебания молекул могут происходить и в направлении перпендикулярном волне.
Звуковые волны распространяются из своих источников во всех направлениях, как это показано на рисунке справа, на котором изображен металлический колокол, периодически сталкивающийся со своим языком.
Эти механические столкновения заставляют колокол вибрировать. Энергия вибраций сообщается молекулам окружающего воздуха, и они оттесняются от колокола. В результате в прилегающем к колоколу слое воздуха увеличивается давление, которое затем волнообразно распространяется во все стороны от источника.
Скорость звука зависит от вида среды, в которой он распространяется, и от ее температуры. В газах звуковые волны распространяются медленно, потому что их разреженная молекулярная структура слабо препятствует сжатию. В жидкостях скорость звука увеличивается, а в твердых телах становится еще более высокой, как это показано на диаграмме внизу в метрах в секунду (м/с).
Путь волны
Звуковые волны распространяются в воздухе аналогично показанному на диаграммах справа. Волновые фронты движутся от источника на определенном расстоянии друг от друга, определяемом частотой колебаний колокола.
Частота звуковой волны определяется путем подсчета числа волновых фронтов, прошедших через данную точку в единицу времени.
Фронт звуковой волны удаляется от вибрирующего колокола.
В равномерно прогретом воздухе звук распространяется с постоянной скоростью.
Второй фронт следует за первым на расстоянии, равном длине волны.
Сила звука максимальна вблизи источника.
Графическое изображение невидимой волны
Звуковое зондирование глубин
Пучок лучей гидролокатора, состоящий из звуковых волн, легко проходит через океанскую воду. Принцип действия гидролокатора основан на том факте, что звуковые волны отражаются от океанского дна; этот прибор обычно используется для определения особенностей подводного рельефа.
Упругие твердые тела
Звук распространяется в деревянной пластине. Молекулы большинства твердых тел связаны в упругую пространственную решетку, которая плохо сжимается и вместе с тем ускоряет прохождение звуковых волн.
Звук перемещается вверх или вниз в квартирах?
Если вы когда-либо жили в квартире, вам наверняка знакома следующая ситуация: вы занимаетесь своими делами, но странные звуки продолжают нарушать ваш покой.
Вы продолжаете слышать звуки, например людей, говорящих или идущих вокруг — они исходят от соседей, которые живут в том же доме, что и вы.
Наверняка вы видели сцены в фильмах, где люди опираются на стены, чтобы подслушать разговоры соседей, но тонкие стены не обязательно должны быть единственной причиной неприятного явления — шума в вашей квартире.
Хотя об этом меньше думают и редко можно увидеть в фильмах, неужели полы и потолки тоже виноваты в этой проблеме?
Возникает еще один вопрос: если вы слышите своих соседей из-за тонких полов или потолков, означает ли это, что звук распространяется вверх?
Может ли это быть причиной шума, который вы слышите в своей квартире, даже если вы находитесь на последнем этаже здания, и над вами никого нет?
А также, какие факторы определяют, насколько громким будет звук, исходящий из сильфона, и каковы меры по его минимизации?
Давайте ответим на эти вопросы и поможем вам вернуть мирную атмосферу в ваш дом!
Что такое звук?
Чтобы по-настоящему понять, как движется звук, мы должны сначала понять, что такое звук.
По определению звук — это продукт вибрации вещей.
Это означает, что то, что вы слышите, — это вибрации объекта, передаваемые через среду (воздух, воду или твердый материал).
Вибрирующие объекты производят звук как форму энергии, которая требует прохождения материала, что в физике определяется как механическая волна.
Эта характеристика звука является причиной того, что в космосе он такой тихий.
Он просто не способен путешествовать в космическом вакууме, поскольку нет ничего, что могло бы пройти через звуковые колебания.
Среда, через которую проходит звук, может быть воздухом, водой или даже твердым материалом, что объясняет, почему вы можете слышать своих соседей через стены своей квартиры.
На самом деле звук проходит через твердые материалы намного быстрее, чем через жидкость или газ.
Как распространяется звук?
После выяснения того, что такое звук, давайте подробнее рассмотрим, как он распространяется.
Возможно, вы один из многих людей, у которых есть идея, что звук движется только в одном направлении?
Например, вы слушаете музыку и представляете звук в виде волн, выходящих из ваших наушников в виде линии прямо в ухо?
Если ваш ответ утвердительный, вы можете быть удивлены, узнав, что это не тот случай, когда речь идет о способах распространения звука.
Научный термин, обозначающий способ передачи звука из точки источника, является всенаправленным, что означает «во всех направлениях».
Вопреки заблуждению о том, что звук распространяется по прямым линиям или в форме конуса, на самом деле все обстоит наоборот.
Звук на самом деле движется вокруг, если предположить, что он не направлен определенным образом.
Если задуматься, в нашем окружении есть множество примеров, подтверждающих это.
Подумайте об этом:
Даже если вы находитесь на верхнем этаже здания, вы будете слышать все, что происходит на улице под вами, и то же самое происходит с шумом квартиры, о котором мы упоминали ранее — даже соседи на верхнем этаже могут жалуются на шум, хотя над их головами никто не ходит.
Конечно, есть способы направить звук через диффузоры — так работают мегафоны или звукоизоляция, но во всех остальных случаях звук будет транслироваться во всех направлениях.
Несмотря на природу звука, из-за которой он не имеет определенного направления, конечно, направление, в котором вы указываете источник звука, будет иметь место, где звук будет наиболее громким.
Возьмем, к примеру, обычный динамик — вы направите его в том направлении, в котором вы хотите, чтобы звук воспроизводился максимально громко, но вы будете слышать музыку независимо от того, где в комнате вы находитесь.
Вам также может понравиться: Как справиться с шумными соседями наверху за 7 шагов
Типы шума
После прочтения вышеприведенного руководства вы должны знать об основных характеристиках звука, но есть еще кое-что, на что мы хотели бы указать из.
Мы говорили о средах, через которые может проходить звук, и упоминали воздух, жидкие и твердые материалы.
Давайте немного сосредоточимся на воздухе и твердых средах, так как это среды, через которые звук, скорее всего, будет проходить в вашем окружении.
Исходя из этого, выделяются два основных типа шума:
Воздушный шум — Как вы, наверное, догадались по названию, этот тип шума является результатом распространения звука в воздухе.
Подумайте о любом звуке, и, скорее всего, вы думаете о воздушном шуме. Музыка, звуки природы или речь — все это разные виды воздушного шума.
Звук не может распространяться в вакууме
Возможно, это неизвестно, но звук не может распространяться в вакууме. Звук распространяется как волны и нуждается в веществе (молекулах) для передачи сигнала. Вы говорите, какое значение это имеет для меня? Но большая часть нашей жизни предполагает взаимодействие и общение с другими людьми. Хорошо это или плохо, но мы не всегда умеем общаться. Долгое время я ошибочно полагал, что важность общения заключается в том, чтобы донести мои намерения и указать на другого человека; если у меня было подтверждение того, что это было сделано эффективно, я был удовлетворен знанием того, что мое общение было успешным.
Итак, если вы хотите знать, что ваше общение эффективно — узнайте, какой вакуум был между вами и другим человеком (людьми).
Тишина — это не отсутствие звука, а отсутствие способности слышать
Наука о волнах, о том, как они движутся, как мы их используем
Реклама
Криса Вудфорда. Последнее обновление: 21 мая 2020 г.
Звук — без него практически невозможно представить мир. Это, вероятно, первое, что вы испытываете, когда просыпаетесь утром — когда слышите щебетание птиц или звук будильника.Звук наполняет наши дни волнением и смыслом, когда люди разговаривают с нами, когда мы слушаем музыку или когда мы слушаем интересные программы по радио и телевидению. Звук может быть последним, что вы слышите ночью, когда вы слушаете свое сердцебиение и постепенно погружаетесь в беззвучный мир сна. Звук завораживает — давайте подробнее рассмотрим, как он работает!
Фото: Звук — это энергия, которую мы слышим, создаваемая вибрирующими предметами. Фото Уильяма Р. Гудвина
любезно предоставлено ВМС США.
Что такое звук?
Фото: Восприятие звуком: Свет плохо проходит через океанскую воду: более половины света, падающего на поверхность моря, поглощается в пределах первого метра воды; 100 м вниз, и остается только 1 процент поверхностного света.Во многом именно поэтому могучие существа полагаются на звук для общения и навигации. Киты, как известно, «разговаривают» друг с другом во всех океанских бассейнах, в то время как дельфины используют звук, как летучие мыши, для эхолокации. Фото Билла Томпсона любезно предоставлено Службой рыболовства и дикой природы США.
Звук — это энергия, производимая объектами при вибрации (быстро двигайтесь вперед и назад). Если вы ударите по барабану, вы заставите тугую кожу вибрировать с очень высокой скоростью (это настолько быстро, что вы обычно не сможете ее увидеть), заставляя также вибрировать воздух вокруг нее.При движении воздух переносит энергию из барабана во всех направлениях. В конце концов, даже воздух внутри ваших ушей начинает вибрировать — и именно тогда вы начинаете воспринимать вибрирующий барабан как звук.
Короче говоря, есть два разных аспекта звука: есть физический процесс , который производит звуковую энергию для начала и отправляет ее в воздух, и есть отдельный психологический процесс , который происходит внутри наших ушей и мозга, который преобразует входящую звуковую энергию в ощущения мы интерпретируем как шумы, речь и музыку.В этой статье мы просто сосредоточимся на физических аспектах звука.
Звук в некотором смысле похож на свет: он исходит от определенного источника (например, инструмента или шумной машины), так же как свет исходит от Солнца или лампочки. Но есть и некоторые очень важные различия между светом и звуком. Мы знаем, что свет может перемещаться через вакуум, потому что солнечный свет должен пройти через космический вакуум, чтобы достичь нас на Земле. Однако звук не может проходить через вакуум: ему всегда нужно через что-то проходить (известное как среда ), например, воздух, вода, стекло или металл.
Классический эксперимент Роберта Бойля
Первым, кто обнаружил, что звук нуждается в среде, был блестящий английский ученый, известный как
Роберт Бойль (1627–1691).
Он провел классический эксперимент, который вы, вероятно, проделали сами в школе: он установил звонок будильника, поместил его в большую стеклянную банку и, пока часы еще звонили, высосал весь воздух насосом. По мере того как воздух постепенно исчезал, звук стих, потому что в банке не было ничего, через что он мог бы пройти.
Работа: знаменитый эксперимент Роберта Бойля с будильником.
- Поместите звонящий будильник в большой стеклянный шкаф с клапаном наверху. Закройте клапан, чтобы внутрь не попал воздух.
- Вы можете легко услышать звон часов, потому что звук проходит по воздуху в корпусе и стекле, прежде чем дойти до ваших ушей.
- Включите вакуумный насос и удалите воздух из корпуса. По мере того, как корпус опорожняется, звенящие часы звучат все тише и тише, пока вы их почти не услышите.Когда в корпусе мало или совсем нет воздуха, звук не доносится до ушей.
- Выключите насос. Пока часы продолжают звенеть, откройте вентиль в верхней части корпуса. Когда воздух устремится обратно, вы снова услышите звон часов. Почему? Потому что, когда воздух снова находится внутри корпуса, есть среда, которая переносит звуковые волны от звонящих часов к вашим ушам.
Когда воздух устремится обратно, вы снова услышите звон часов. Почему? Потому что, когда воздух снова находится внутри корпуса, есть среда, которая переносит звуковые волны от звонящих часов к вашим ушам.Как распространяется звук
Когда вы слышите звон будильника, вы слушаете, как энергия совершает путешествие.Он запускается откуда-то изнутри часов, летит по воздуху и через некоторое время попадает в ваши уши. Это немного похоже на волны, движущиеся по морю: они начинаются с места, где ветер дует на воду (изначальный источник энергии, такой как звонок или зуммер внутри вашего будильника), перемещаются по поверхности океана ( это среда, которая позволяет волнам перемещаться), и, в конечном итоге, вымывается на пляже (подобно звукам, входящим в ваши уши). Если вы хотите узнать больше о том, как перемещаются морские волны, прочитайте нашу статью о науке о серфинге.
Иллюстрация: Сравнение звуковых волн и океанских волн. Вверху: Звуковые волны — это продольные волны: воздух движется вперед и назад по той же линии, что и волна, образуя чередующиеся модели сжатия и разрежения.
Внизу: океанские волны — это поперечные волны: вода движется вперед и назад под прямым углом к линии, по которой движется волна.
Есть одно принципиально важное различие между волнами, бьющимися о море, и звуковыми волнами, которые достигают наших ушей.Морские волны движутся как колебания вверх и вниз: вода движется вверх и вниз (фактически никуда не перемещаясь), когда энергия волны движется вперед. Такие волны называются поперечными волнами . Это просто означает, что вода вибрирует под прямым углом к направлению, в котором движется волна. Звуковые волны работают совершенно по-другому. По мере того, как звуковая волна движется вперед, она заставляет воздух в одних местах сгущаться, а в других — распространяться. Это создает чередующийся узор сжатых вместе областей (известный как сжатий ) и растянутых областей (известный как разрежения ).Другими словами, звук толкает и тянет воздух туда-сюда, а вода трясет его вверх и вниз. Водные волны сотрясают энергию по поверхности моря, а звуковые волны распространяют энергию по телу воздуха.
Звуковые волны — это волны сжатия. Их также называют продольными волнами , потому что воздух колеблется на вдоль в том же направлении, что и волна.
Чтобы отчетливо представить себе разницу между поперечными и продольными волнами, взгляните на эти две маленькие анимации на Wikimedia Commons:
Наука о звуковых волнах
Если у вас когда-либо было свободное время, пока вы бездельничали на пляже, попробуйте понаблюдать за различными способами поведения волн.Вы заметите, что волны, движущиеся по воде, могут делать самые разные умные вещи, например, врезаться в стену и отражаться прямо назад с более или менее той же интенсивностью. Они также могут распространяться рябью, красться по пляжу и делать другие умные вещи. То, что здесь происходит с волнами на воде, на самом деле не имеет ничего общего с water : это просто способ поведения энергии, когда она уносится волнами. То же самое происходит и с другими видами волн — со светом и звуком.
Вы можете отразить звуковую волну от чего-то так же, как свет отразится от зеркала или волны воды отразятся от морской стены и вернутся в море.
Встаньте на некотором расстоянии от большой плоской стены и несколько раз хлопайте в ладоши. Почти сразу вы услышите призрачный повтор ваших хлопков, слегка не совпадающий с ним. То, что вы слышите, — это, конечно, звук , отражение , более известный как эхо: это звуковая энергия в вашем хлопке, которая направляется к стене, отскакивает назад и в конечном итоге попадает в ваши уши.Между звуком и эхом есть задержка, потому что требуется время, чтобы звук достиг стены и обратно (чем больше расстояние, тем дольше задержка).
Изображение: Отраженный звук чрезвычайно полезен для «наблюдения» под водой, где свет на самом деле не распространяется — это основная идея сонара. Вот изображение гидролокатора бокового обзора (отраженный звук) лодки времен Второй мировой войны, потерпевшей крушение на морском дне. Фото любезно предоставлено Национальным управлением океанографии и атмосферы США и ВМС США.
Звуковые волны теряют энергию при движении. Вот почему мы можем только слышать вещи до сих пор, и почему в ветреные дни (когда ветер рассеивает свою энергию) звуки распространяются хуже, чем в спокойные.
Во многом то же самое происходит с океанами. Волны на воде иногда могут преодолевать огромные расстояния через океан, но они также могут быть испорчены, когда шквалистая погода рассеивает их энергию на более короткие расстояния.
Звуковые волны во многом похожи на свет и волны на воде. Когда водяные волны, преодолевая большие расстояния через океан, обтекают мыс или залив, они распространяются кругами, как рябь.Звуковые волны делают то же самое, поэтому мы можем слышать за углами. Представьте, что вы сидите в комнате рядом с коридором, а гораздо дальше по коридору есть такая же комната, где кто-то играет на трубе внутри. Звуковые волны исходят из трубы, распространяясь по мере продвижения. Они проносятся по коридору, мчатся по нему, проникают через дверной проем в вашу комнату и в конечном итоге достигают ваших ушей. Волны тенденции должны распространяться по мере движения и огибать углы, это называется дифракцией .
Шепчущие галереи и амфитеатры
Вам может показаться, что вы не услышите чей-то шепот, если он будет сидеть подальше, но если он сможет заставить звук своего голоса отразиться от чего-то в ваших ушах, его голос будет распространяться намного дальше, чем обычно.
Если вы находитесь внутри здания с гигантским куполом, издаваемые вами звуки будут отражаться от изогнутой крыши, как лучи света, отражающиеся от зеркала. Строения, которые работают таким образом, иногда называют шепчущими галереями .Купол Капитолия США и знаменитый читальный зал Британского музея в Лондоне — два хорошо известных примера. Вы можете услышать тот же эффект на работе снаружи, когда вы сидите в естественно изогнутой области, называемой амфитеатром . Вы можете говорить обычным голосом и при этом быть очень отчетливо слышным на значительном расстоянии.
Фотографии: 1) Капитолий в Вашингтоне, округ Колумбия, имеет галерею шепота внутри купола. Фото любезно предоставлено архитектором Капитолия. 2) В этом амфитеатре в Ираке легко услышать, как люди разговаривают.Фото Джейсона Л. Андраде любезно предоставлено Корпус морской пехоты США.
Измерительные волны
Все звуковые волны одинаковы: они проходят через среду, заставляя атомы или молекулы колебаться взад и вперед.
Но все звуковые волны тоже разные. Есть громкие и тихие звуки, высокий писк и низкий грохот, и даже два инструмента, играющие на одной и той же музыкальной ноте, будут создавать совершенно разные звуковые волны. Итак, что происходит?
Энергия, производимая чем-то, когда оно вибрирует, производит звуковые волны с определенной структурой.Каждая волна может быть большой или маленькой: большие звуковые волны имеют так называемую высокую амплитуду или или интенсивность, и мы слышим их как более громкие звуки. Громкие звуки эквивалентны более крупным волнам, движущимся над морем (за исключением того, что, как вы помните, сверху вверху, воздух движется вперед и назад, а не вверх и вниз, как вода).
Помимо амплитуды, в звуковых волнах стоит обратить внимание на их высоту, также называемую их частотой . Певцы-сопрано издают звуковые волны с высоким тоном, в то время как бас-певцы создают волны с гораздо более низким тоном.Частота — это просто количество волн, которые что-то производит за одну секунду.
Таким образом, певец-сопрано производит больше энергетических волн за одну секунду, чем бас-певец, а скрипка дает больше, чем контрабас.
Что такое амплитуда и частота
Это произведение показывает четыре волны, которые звучали бы по-разному. Если вы используете достаточно современный веб-сайт в браузере, вы можете сравнить их звучание, проиграв образцы ниже. (Если вы не видите аудиоклипы, попробуйте другой браузер.)
- Верхняя волна представляет собой типичную звуковую волну, колеблющуюся с определенной амплитудой (ее высотой) и частотой (сколько пиков и впадин существует за определенный промежуток времени).
Ваш браузер не поддерживает аудио элементы.
- Эта волна имеет ту же частоту, что и первая волна (такое же количество пиков и впадин), но в два раза больше амплитуды (она вдвое выше). Звуковая волна, подобная этой, будет звучать громче, чем первая волна, но той же высоты.
Ваш браузер не поддерживает аудио элементы.
- Эта волна имеет половину частоты второй волны (половину числа пиков и впадин), но такую же амплитуду (это точно такая же высота). Звуковая волна, подобная этой, будет звучать глубже (ниже), чем вторая волна, примерно так же громко, как вторая волна, и громче, чем первая волна.
Ваш браузер не поддерживает аудио элементы.
- Эта волна имеет в два раза частоту волн 1 и 2 и в четыре раза больше частоты волны 3, поэтому она будет звучать намного выше по высоте, чем другие волны.Он имеет ту же амплитуду, что и волны 2 и 3, поэтому будет звучать примерно так же громко.
Ваш браузер не поддерживает аудио элементы.
Помните, однако, что звуковые волны не выглядят так во время движения. Эти восходящие и нисходящие паттерны — это то, что вы увидите, если изучите сигналы звуковых волн с помощью осциллографа (своего рода электронной машины для рисования графиков). Звуковые волны распространяются по воздуху в виде сжатых сжатий и вытянутых разрежений.
Они выглядят так только на осциллограмме.
Почему инструменты звучат иначе
Но вот загадка. Если скрипка и фортепиано издают звуковые волны с одинаковой амплитудой и частотой, почему они звучат так по-разному? Если волны идентичны, почему два инструмента не звучат совершенно одинаково? Ответ в том, что волны не идентичны! Инструмент (или человеческий голос, если на то пошло) одновременно излучает целую смесь разных волн. Есть базовая волна с определенной амплитудой и высотой тона, называемая фундаментальной , и вдобавок к ней есть множество более высоких звуков, называемых гармониками или обертонами.Каждая гармоника имеет частоту, которая точно в два, три, четыре или во много раз выше основной. Каждый инструмент создает уникальный образец основной частоты и гармоник, называемый тембром , (или качеством звука). Все эти волны складываются вместе, чтобы придать уникальную форму звуковой волне, создаваемой разными инструментами, и это одна из причин, почему они звучат по-разному.
Другая причина заключается в том, что амплитуда волн, создаваемых конкретным инструментом, изменяется уникальным образом с течением секунд.Звуки флейты воспроизводятся мгновенно и быстро затухают, в то время как звуки фортепиано нарастают дольше и затухают медленнее. Вы найдете более подробное объяснение этого в нашей статье о синтезаторах электронной музыки.
Скорость звука
Что мы имеем в виду, когда говорим о скорости звука? Теперь вы знаете, что звук переносит энергию в виде набора волн, и вы можете видеть, что скорость звука означает скорость, с которой движутся волны — скорость, с которой энергия перемещается между двумя местами.Когда мы говорим, что реактивный самолет «преодолевает звуковой барьер», мы имеем в виду, что он разгоняется так быстро, что догоняет невероятно интенсивные (то есть шумные) звуковые волны, производимые его двигателями, создавая ужасный шум, называемый звуковой удар в процессе. Вот почему вы увидите, как над головой пролетит истребитель за секунду или две до того, как услышите злобный крик его реактивных двигателей.
Фото: Прорыв звукового барьера создает звуковой удар.Туман, который вы видите, который называется облаком конденсации, не обязательно вызван сверхзвуковым полетом самолета: он может возникать и на более низких скоростях. Это происходит потому, что влажный воздух конденсируется из-за ударных волн, создаваемых самолетом. Вы можете ожидать, что самолет сжимает воздух, когда прорезает его. Но генерируемые им ударные волны попеременно расширяют и сжимают воздух, вызывая как сжатие, так и разрежение. Эти разрежения вызывают очень низкое давление, и именно они заставляют влагу в воздухе конденсироваться, создавая облако, которое вы видите здесь.Фото Джона Гэя любезно предоставлено ВМС США.
Скорость звука в воздухе (на уровне моря) составляет около 1220 км / ч (760 миль в час или 340 метров в секунду). По сравнению со световыми волнами, звуковые волны распространяются со скоростью улитки — примерно в миллион раз медленнее. Вы видите молнию намного раньше, чем слышите ее, потому что световые волны достигают вас практически мгновенно, а звуковым волнам требуется около 5 секунд, чтобы покрыть каждые 1,6 км (1 милю).
Почему в одних вещах звук идет быстрее, чем в других?
Что касается «скорости звука», следует отметить то, что на самом деле такого нет.Звук распространяется с различными скоростями в твердых телах, жидкостях и газах. Обычно это происходит быстрее в твердых телах, чем в жидкостях, и в жидкостях, чем в газах: например, в стали он проходит примерно в 15 раз быстрее, чем в воздухе, и примерно в четыре раза быстрее в воде, чем в воздухе. Вот почему киты используют звук для общения на таких больших расстояниях и почему подводные лодки используют SONAR (звуковая навигация и определение расстояния; звуковая навигационная система, аналогичная радару, только с использованием звуковых волн вместо радиоволн).Это также одна из причин, почему очень сложно понять, откуда исходит шум лодочного двигателя, если вы плаваете в море.
Таблица: Обычно звук распространяется быстрее в твердых телах (справа), чем в жидкостях (в центре) или газах (слева) …
но есть исключения!
Звук распространяется с разной скоростью в разных газах — и может распространяться с разной скоростью даже в одном и том же газе. Скорость его движения на конкретном газе зависит от газа, а не от звука. Таким образом, громкий это звук или тихий звук, высокий или низкий звук на самом деле не имеет никакого значения для его скорости: амплитуда и частота не имеют значения.Важны два свойства самого газа: его температура и тяжесть его молекул (его «молекулярная масса»). Таким образом, звук распространяется гораздо быстрее в теплом воздухе у земли, чем, например, в более холодном воздухе выше. А в газообразном гелии он движется примерно в три раза быстрее, чем в обычном воздухе, потому что гелий имеет гораздо более легкие молекулы. Вот почему люди, которые вдыхают гелий, говорят забавными голосами: звуковые волны, которые заставляют их голоса распространяться быстрее, с большей частотой. (Звук идет еще быстрее в водороде, который снова легче гелия.)
Но почему звук быстрее в твердых телах, чем в газах? Разве я не сказал, что в более легких газах он идет быстрее, чем в более тяжелых, что должно означать, что в твердых телах (которые намного плотнее газов) оно будет идти намного медленнее.
Причина проста в том, что звук в твердом теле и в газе распространяется совершенно по-разному. Как мы уже видели, звук движется, сдавливая и растягивая газы, как воздух. Но с твердыми телами все обстоит иначе, их невозможно раздавить и растянуть одинаково.Если молекулы в газе могут подпрыгивать вперед и назад, чтобы переносить звуковую энергию в волнах давления, атомы или молекулы в твердых телах по существу заблокированы на месте. Когда звук проникает в твердые тела, его колебания с высокой скоростью переносятся «своего рода» частицами, называемыми фононами. Как именно это происходит, выходит далеко за рамки этой простой вводной статьи. Просто представьте, что фононы переносят звуковые волны через твердое тело примерно так же, как молекулы переносят их через газ, часто намного быстрее.Как разные газы переносят звук с разной скоростью, так и скорость звука сильно различается от одного твердого тела к другому. Он примерно в 80 раз быстрее в стали, чем, например, в резине, и в два с половиной раза быстрее в алмазе, чем в стали!
Как измерить скорость звука
Если вы хотите измерить скорость звука, эхо — это простой способ сделать это.
Вам понадобится рулетка хорошего размера и секундомер. Встаньте примерно в 100 метрах от большой стены. Тщательно измерьте расстояние, удвойте его и запишите.Теперь хлопните 20 раз, прислушайтесь к эху, хлопните снова, как только услышите его, и продолжайте так делать. Измерьте общее время от самого первого хлопка до самого последнего эхо. За это время звук прошел в общей сложности 20 × 2 × 100 м (или расстояние между вами и стеной), что составляет около 4000 м (4 км). Чтобы найти скорость звука, разделите общее расстояние на общее время, которое вы измерили (которое, чтобы дать вам приблизительное представление, должно составлять примерно 12 секунд для такого расстояния). Это должно дать вам скорость звука в метрах в секунду (что-то вроде 340 метров в секунду), которую вы затем можете преобразовать в любые другие единицы, которые вам нравятся.Если ваши измерения сильно отклоняются, попробуйте встать подальше от стены или хлопните больше раз, чтобы увеличить расстояние.
Звук на практике
Фото: Музыкальный звук, возможно, является величайшим изобретением человечества.
Этот превосходный Steinway
рояль датируется 1876 годом и находится в удивительной галерее Национального фонда.
Загородный дом Lanhydrock в Корнуолле, Англия.
Звук — чрезвычайно важная часть жизни на Земле. Большинство животных прислушиваются к звукам — вещам, которые сигнализируют о возможности есть или быть съеденными.Многие существа также обмениваются значимыми звуками, чтобы общаться с представителями одного вида или предупреждать хищников и соперников. Люди развили эту способность в разговорный язык (как способ обмена информацией) и музыку (по сути, звуковую систему для передачи эмоций).
Мы также разработали множество различных звуковых технологий. Мы изобрели музыкальные инструменты, которые могут воспроизводить огромное количество различных музыкальных звуков, от простых барабанов и ударных инструментов до сложных электронных синтезаторов, которые могут генерировать любой звук, который вы только можете себе представить.Мы можем записывать звуки на такие вещи, как компакт-диски или с помощью новых технологий, таких как MP3 (звуковые файлы, хранящиеся в сильно сжатых формах на компьютерах).
Мы также можем использовать очень высокочастотные звуки, известные как ультразвук, для всего, от чистки вставных зубов до изучения развития ребенка в утробе матери. Мы даже научили компьютеры слушать наши произнесенные слова и превращать их в письменный язык с помощью программного обеспечения для распознавания голоса — вполне естественно, именно так я написал для вас эту статью сегодня!
Узнать больше
На этом сайте
На других сайтах
- Explore Sound: обширный образовательный сайт от Акустического общества Америки с мероприятиями для студентов всех возрастов.
- Звуковые волны: отличная коллекция интерактивных уроков естествознания из Университета Солфорда, в которой объясняется, что такое звуковые волны и как они себя ведут.
Книги
Учебные книги для младших читателей
- Звук Анджелы Ройстон. Raintree, 2017. Базовое введение в звуки и музыкальные звуки, включая простые упражнения. Возраст 7–9.
- Звук (Наука в мгновение ока) Джорджии Амсон-Брэдшоу. Франклин Уоттс / Hachette, 2017.Эта книга наполнена простыми фактами, экспериментами и викторинами; визуально захватывающий дизайн понравится неохотным читателям. Также для детей 7–9 лет.
- Экспериментируя с проектами Sound Science Роберт Гарднер. Enslow Publishers, 2013. Всестороннее 120-страничное введение, в котором подробно рассматривается наука о звуке, с множеством практических проектов и мероприятий (включая приветственное освещение того, как проводить контролируемые эксперименты с использованием научного метода). Возраст 9–12 лет.
- Крутая наука: эксперименты со звуком и слухом Криса Вудфорда.Gareth Stevens Inc, 2010. Одна из моих собственных книг, это краткое введение в звук через практическую деятельность для детей 9–12 лет.
Возраст 7–9.Научно-популярное
Учебники
- Справочник по акустике Ф. Альтона Эвереста и Кена Полмана. McGraw-Hill Education, 2015. Исчерпывающий справочник для студентов и профессионалов в области звукового дизайна.
- «Наука звука» Томаса Д. Россинга, Пола А. Уиллера и Ф. Ричарда Мура. Пирсон, 2013.Один из самых популярных текстов для студентов бакалавриата.
Исчерпывающий справочник для студентов и профессионалов в области звукового дизайна.Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие веб-сайты
статей с этого сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных работ без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и / или нарушение смежных прав может привести к серьезным гражданским или уголовным санкциям.
Авторские права на текст © Chris Woodford 2009, 2020. Все права защищены.Полное уведомление об авторских правах и условиях использования.
Подписывайтесь на нас
Поделиться страницей
Сохраните эту страницу на будущее или поделитесь ею, добавив в закладки:
Цитировать эту страницу
Вудфорд, Крис.
