Materiały pochodzą z Platformy Edukacyjnej Portalu Wszelkie treści i zasoby edukacyjne publikowane na łamach Portalu mogą być wykorzystywane przez jego Użytkowników wyłącznie w zakresie własnego użytku osobistego oraz do użytku w szkołach podczas zajęć dydaktycznych. Kopiowanie, wprowadzanie zmian, przesyłanie, publiczne odtwarzanie i wszelkie wykorzystywanie tych treści do celów komercyjnych jest niedozwolone. Plik można dowolnie modernizować na potrzeby własne oraz do wykorzystania w szkołach podczas zajęć dydaktycznych.

SPIS TREŚCI WSTĘP CECHY FALI WIELKOŚCI OPISUJĄCE RUCH FALOWY RODZAJE FAL ODBICIE, UGIĘCIE, NAKŁADANIE SIĘ FAL FALE AKUSTYCZNE PRĘDKOŚĆ DŹWIĘKU CECHY DŹWIĘKU ECHO I REZONANS AKUSTYCZNY

PAMIĘTAJ Falą sprężystą nazywamy proces rozchodzenia się w ośrodku sprężystym zaburzenia stanu równowagi tego ośrodka, któremu towarzyszy przekazywanie energii pomiędzy różnymi punktami ośrodka. Rozchodzenie się fal sprężystych wymaga: Istnienia materialnego ośrodka sprężystego, którego stan równowagi podlega zaburzeniu. Źródła zaburzenia będącego źródłem fali. Fizycznego mechanizmu, za pomocą którego sąsiadujące ze sobą części ośrodka mogą oddziaływać na siebie (sprężystość ośrodka). W ośrodkach jednorodnych fale rozchodzą się wzdłuż linii prostych. Cząstki ośrodka nie przemieszczają się, wykonują tylko drgania wokół swoich położeń równowagi!!!

Promień fali to kierunek rozchodzenia się fali. Powierzchnia falowa to zbiór punktów (cząstek) ośrodka, zachowujących się identycznie i jednakowo odległych od źródła fali. Czoło fali to powierzchnia, która jest granicą między częścią zaburzoną (w której rozchodzi się fala) a nie zaburzoną (gdzie fala jeszcze nie dotarła). Czoło fali jest pierwszą powierzchnią falową. Grzbietem fali nazywamy maksymalne górne wychylenie cząsteczek ośrodka z położenia równowagi. Doliną fali nazywamy maksymalne dolne wychylenie ośrodka z położenia równowagi.

Impuls falowy powstaje gdy źródłem jest jednorazowe zaburzenie w ośrodku: na przykład : gdy wrzucimy kamień do wody lub gdy jednorazowo odchylimy koniec napiętej liny Jeden impuls falowy odpowiada jednemu cyklowi drgania. Fala harmoniczna powstaje gdy źródło wykonuje drgania harmoniczne: na przykład gdy cyklicznie wychylamy koniec napiętej liny

Amplituda A [m] Maksymalne wychylenie cząstki ośrodka z położenia równowagi w czasie gdy przez ośrodek przechodzi fala Okres T [s] Okres fali to okres drgań cząsteczek ośrodka, w którym rozchodzi się fala. Częstotliwość drgań ƒ [Hz] Częstotliwość fali to częstotliwość drgań cząsteczek ośrodka, w którym rozchodzi się fala Długość fali λ [m] Odległość pomiędzy sąsiednimi grzbietami (dolinami) Szybkość fali v [m/s] Fala w danym ośrodku (jednorodnym) rozchodzi się z określoną stałą szybkością ruchem prostoliniowym.

KRYTERIUM PODZIAŁURODZAJE FALCECHY Ze względu na kierunek drgań cząsteczek ośrodka w stosunku do kierunku rozchodzenia się fali. Poprzeczna kierunek drgań cząsteczek jest prostopadły do kierunku rozchodzenia się fali, Podłużnakierunek drgań cząsteczek jest równoległy do kierunku rozchodzenia się fali. Ze względu na kierunek rozchodzenia się fali w przestrzeni liniowaRozchodzi się wzdłuż jednego kierunku powierzchniowaRozchodzi się po powierzchni przestrzennaRozchodzi się w przestrzeni

Ze względu na powierzchnie falowe fale płaskie powierzchnie falowe tworzą równoległe do siebie linie proste gdy fala rozchodzi się po powierzchni lub płaszczyzny, gdy rozchodzi się w przestrzeni. Promienie fal są do siebie równoległe. fale koliste powierzchnie falowe tworzą współśrodkowe okręgi gdy fala rozchodzi się po powierzchni fale kuliste powierzchnie falowe tworzą współśrodkowe sfery, gdy mamy do czynienia z falą przestrzenną. ze względu na rodzaj zaburzenia Np. Impuls falowy fala harmoniczna

Kierunek rozchodzenia się fali może ulec zmianie gdy fala napotka na swojej drodze jakąś przeszkodę, lub zmienią się własności ośrodka w którym rozchodzi się fala. Zaobserwować można wówczas zjawisko: Odbicia fali Załamanie fali Ugięcia fali (dyfrakcji) Na granicy ośrodków fala przechodząc do ośrodka, w którym porusza się z inną prędkością, zmienia kierunek swego biegu.

Fala ulega odbiciu od przeszkody i zmienia się kierunek jej rozchodzenia. Po dojściu do granicy ośrodków fala zmienia kierunek poruszając się nadal w tym samym ośrodku. Prawo odbicia dla fal Kąt, jaki tworzy promień fali padającej z prostą prostopadłą do płaszczyzny odbijającej (kąt padania), jest równy kątowi jaki z tą prostą tworzy promień odbity (kąt odbicia).

Ustawmy w zbiorniku z wodą przegrodę z wąską szczeliną i wytwarzamy po jednej stronie falę płaską. W chwili, gdy fala ta dojdzie do przegrody - szczelina staje się źródłem fali kołowej, rozchodzącej się z niej we wszystkich kierunkach po drugiej stronie przegrody. Gdy fala płaska trafi na przeszkodę ze szczeliną mniejszą lub o wielkości porównywalnej z długością fali, to szczelina ta staje się źródłem nowej fali widocznej za przeszkodą.

Ugięcie fali występuje tym wyraźniej, im mniejsze są wymiary szczeliny w stosunku do długości padającej fali. Jeżeli otwór jest bardzo szeroki zjawisko praktyczne nie występuje. Dyfrakcja fal zachodzi nie tylko przy przejściu przez małą szczelinę czy otwór, zachodzi również wtedy, gdy fale na swojej drodze natrafią na niewielką przeszkodę np. fale na wodzie natrafią na pal wbity w ziemię. Uginanie fal polega w tym przypadku na tym, że fale omijają jakby tę przeszkodę i biegną dalej tak, jakby jej nie było.

Zjawisko nakładania się dwu lub więcej fal harmonicznych tej samej długości, prowadzące do powstania obszarów wzmocnienia i osłabienia fali, nazywamy interferencją fal. Jeżeli obie fale będą miały takie same amplitudy to nastąpi maksymalne wzmocnienie. Szczególnym przypadkiem jest nakładanie się fali biegnącej i fali odbitej od jakiejś przeszkody. Powstaje wtedy fala stojąca. Symulacja fali stojącej

węzeł strzałka Miejsca gdzie amplituda fali osiąga maksima nazywane są strzałkami, zaś te, w których amplituda jest zawsze zerowa węzłami fali stojącej. Drgania struny Jeśli fala stojąca powstaje w strunie umocowanej na obu końcach, w miejscach zamocowania muszą powstać węzły. Narzuca to warunek na długość fali stojącej w strunie, mianowicie w długości struny musi mieścić się całkowita liczba połówek długości fali. Fale o innej długości szybko ulegną wygaszeniu.

Fale akustyczne są szczególnym przypadkiem fal mechanicznych. Są to podłużne fale sprężyste. Rozchodzą się w każdym materialnym ośrodku sprężystym, a ich prędkość zależy od własności sprężystych ośrodka. Podczas rozchodzenia się wprawiają w ruch drgający cząsteczki ośrodka. Przejawia się to jako powstanie lokalnych zmian gęstości i ciśnienia ośrodka wzdłuż kierunku ruchu fali. Zmiany te tworzą ciąg lokalnych obszarów zgęszczenia i rozrzedzenia ośrodka sprężystego.

Fale akustyczne dzielimy, w zależności od ich częstotliwości, na: Infradźwięki – to fale akustyczne o częstotliwościach f 16 Hz. Fale dźwiękowe (dźwięk) – to fale akustyczne o częstotliwościach 16 f 20 kHz. Ultradźwięki – to fale akustyczne o częstotliwościach f > od 20 kHz. Wrażenie dźwięku jest u człowieka wywołane przez fale o częstotliwościach mieszczących się w przedziale od 20 do Hz. Zarówno górna jak i dolna granica częstotliwości może być indywidualną cechą człowieka. Szczególnie górna granica obniża się wraz z wiekiem, dochodząc do około Hz u ludzi starych. Dźwięki o częstotliwości większej od 20 kHz nazywamy (ultradźwięki) słyszą niektóre zwierzęta jak psy (do 35 kHz), nietoperze (do 100 kHz) i delfiny (200 kHz). Ultradźwięki są bardzo szeroko wykorzystywane w technice, komunikacji oraz medycynie. Dźwięki o częstotliwościach poniżej 20 kHz (infradźwięki) są najprawdopodobniej odbierane przez ryby i zwierzęta morskie, które w ten sposób otrzymują informację o zbliżającym się sztormie, prawdopodobnie też są wykorzystywane przez słonie. Do kategorii infradźwięków należą fale sejsmiczne, rozchodzące się we wnętrzu Ziemi. Fale infradźwiękowe wywierają niekorzystny wpływ na organizm ludzki.

Dźwięk 1.zjawisko fizyczne polegające na rozchodzeniu się drgań o określonych częstotliwościach w ośrodkach sprężystych 2.zjawisko fizjologiczne polegające na wywołaniu wrażenia odczuwanego przez słuchacza Źródło dźwięku Źródłami dźwięków są ciała drgające z częstotliwością od 16 Hz do Hz. Przykładowe źródła dźwięku: struny (np. gitarowe, skrzypcowe, struny głosowe), pręty, płyty i membrany (np. ksylofon, bęben), zamknięte lub otwarte słupy powietrza (np. piszczałki, organy, klarnet), nagłe zagęszczenia lub rozrzedzenia powietrza (np. przy wybuchach) Ton Dźwięk wytwarzany przez źródło drgające ruchem harmonicznym. Ucho ludzkie wychwytuje dźwięki dzięki temu, że fala akustyczna rozchodząca się w powietrzu pobudza do drgania błonę bębenkową w uchu, węże nie mają uszu, nie słyszą więc dźwięków przenoszonych przez powietrze, a tylko dźwięki przenoszone przez ziemię po której pełzają, ryby słyszą całym ciałem, owady nie wydają dźwięków z gardła, a jedynie brzęczą i słyszą nogami.

Prędkość dźwięku w danym ośrodku zależy od różnych czynników W stałych warunkach prędkości dźwięku w różnych ośrodkach są w miarę stabilne i określone. Prędkości dźwięku dla kilku ośrodków w warunkach normalnych (temperatura 20°C, ciśnienie normalne 1013hPa): stal m/s beton m/s woda m/s powietrze m/s Prędkość dźwięku : w powietrzu (w gazach) zależy od temperatury. Im wyższa temperatura powietrza, tym szybciej poruszają się jego cząsteczki i tym większa jest prędkość dźwięku. W typowych warunkach, jakie spotykamy na co dzień w atmosferze ziemskiej, zmiana temperatury powietrza o 10 stopni Celsjusza powoduje zmianę prędkości dźwięku o ok. 5 m/s. w cieczach zwiększa się z temperaturą. Tylko woda wykazuje anomalię, polegającą na tym, że prędkość fali w wodzie wzrasta tylko do 80 C, po czym nieznacznie maleje. w ciałach stałych wpływ temperatury na prędkość dźwięku jest nieznaczny i można go pominąć. Prędkość rozchodzenia się dźwięku: gazy < ciecze < ciała stałe

PAMIĘTAJ Fale akustyczne nie rozchodzą się w próżni !

Wysokość dźwięku Jest zależna od częstotliwości drgań źródła i rośnie ze wzrostem częstotliwości Natężenie dźwięku Ilość energii (E) przepływającej w jednostce czasu (t) przez jednostkę powierzchni (S) ustawionej prostopadle do kierunku ruchu fali nazywamy natężeniem (I) dźwięku. Im większą energię przenosi dźwięk, a ściślej ośrodek, w którym dźwięk się rozchodzi, tym większe jest natężenie dźwięku. Natężenie dźwięku zależy od amplitudy drgań - im większa amplituda, tym większe natężenie. Jednostką natężenia dźwięku jest J/m 2 s = W/m 2 Poziom natężenia dźwięku podaje się też w decybelach (dB). Jednostkę tę zdefiniowano w oparciu o metody porównywania poziomu natężeń dźwięków. Barwa dźwięku Cecha pozwalająca odróżnić źródła dźwięków (o tej samej wysokości i natężeniu). Wynika to z faktu, iż źródła dźwięków (np. struny) wykonują drgania złożone z drgań podstawowych (i są źródłami tonów podstawowych o największym natężeniu) i drgań o większej częstotliwości i mniejszym natężeniu. Te dodatkowe tony decydują o barwie dźwięku.

Echo- to słyszenie dźwięku odbitego od przeszkody. Zjawisko powstawania echa jest wykorzystywane często przez zwierzęta. Np. nietoperze, które prowadzą nocny tryb życia mają bardzo słaby wzrok, ale za to mają bardzo dobry słuch, nasłuchując echa wysyłanych przez siebie lub inne osobniki dźwięków bardzo wysokich (tzw. ultradźwięków), lokalizują przedmioty, od których się one odbiły i rozpoznają ich wielkość. Zjawisko takie nazywamy echolokacją i wykorzystywane jest ono również przez niektóre ryjkowce, ptaki i delfiny. Rezonans akustyczny Rozchodząca się w powietrzu fala dźwiękowa trafiając na powierzchnię jakiegoś ciała i wywierając na nią wskutek drgań cząsteczek powietrza okresowo zmienne ciśnienie wprawia to ciało w ruch drgający. W przypadku, gdy częstotliwość drgań wymuszonych jest równa częstotliwości drgań własnych ciała, natężenie drgań wzbudzonych znacznie wzrasta. Zjawisko rezonansu zostało wykorzystane w budowie niektórych instrumentów muzycznych. Pudło skrzypiec stanowi na przykład rezonator, który dzięki odpowiednim kształtom drga wraz z zawartym w nim powietrzem przy wszystkich niemal częstotliwościach, wzmacniając drgania strun i stając się właściwym źródłem dźwięku.

Bibliografia Nauczanie fizyki – H.Bonecki Fizyka – M. Rozenbajgier Testy z fizyki – H. Kaczorek