FIZYKA 2
O DRGANIACH I FALACH SPRĘŻYSTYCH
I RUCH DRGAJĄCY
Ruch drgający zachodzi tam i z powrotem, po tym samym torze, powtarza się w równych odstępach czasu, jest coraz słabszy i po pewnym czasie ustaje; ciało drgające wraca do położenia równowagi ruchem przyśpieszonym, a oddala się od niego ruchem opóźnionym
Drgania gasnące (tłumione) - opór powietrza i siła tarcia sprawiają, że energia z mechanicznej przemienia się w wewnętrzną i zostaje stopniowo przekazywana cząsteczkom powietrza (kulka zawieszona na nitce, odważnik zawieszony na sprężynie, struna gitary) = wykonują okresowe, malejące ruchy - amplituda maleje
Drgania wymuszone - jest to uzupełnianie energii, którą ciało utraciła (popychanie huśtawki, zegary wahadłowe ze sprężyną) - amplituda rośnie = działamy na ciało siłą zewnętrzną
Amplituda - to największe wychylenie ciała z położenia równowagi = A [m]
Okres drgań - to czas, w którym ciało wykonuje pełne drgnięcie, tzn. przebywa drogę z jednego skrajnego punktu, do drugiego skrajnego punktu i z powrotem = T [s]
Częstotliwość drgań - informuje nas, jaka jest liczba drgań w czasie 1s. = f [Hz] 1 herc; częstotliwość drgań jest równa odwrotności okresu [f = 50Hz T = 1/50s | f = 1/2Hz T = 2s]
II WAHADŁO
Wahadłem nazywamy małą kulkę zawieszoną na nitce
Wnioski doświadczenia:
czas trwania 20 drgań jest dłuższy 2 razy, niż czas trwania 10 drgań
Iloraz czasu drgań do liczby drgań jest stały - T = t/n, pomimo że amplituda drgań zmienia się (maleje)
Zmniejszanie się czasu jest wprost proporcjonalne do liczby drgań
IZOCHRONIZM jest to zjawisko niezależności okresu drgań od amplitudy
Okres drgań wahadła zależy od jego długości; jest on wprost proporcjonalny do Ö z długości
T ~ Ö l
III FALA SPRĘŻYSTA
Falą nazywamy rozchodzące się w ośrodku zaburzenia
Jeśli zaburzenie rozchodzi się w ośrodku sprężystym, to mamy falę sprężystą
W zależności od kierunku drgań cząsteczek, w porównaniu z kierunkiem rozchodzenia się fali, wyróżniamy:
- fale podłużne – kierunek drgań jest zgodny z kierunkiem rozchodzenia się fali
- fale poprzeczne – kierunek drgań cząsteczek jest prostopadły do kierunku rozchodzenia się fali
Falę możemy scharakteryzować poprzez jej:
- długość – droga, jaką fala przebywa w czasie, gdy dowolna cząsteczka ośrodka wykona jedno pełne drgnięcie (okres drgań)
- szybkość fali – zależy ona od rodzaju ośrodka, w którym rozchodzi się fala
- amplituda – równa jest amplitudzie drgań cząsteczek ośrodka
g - lambda - długość fali
T = 1 / f
g = V * T długość fali = szybkość rozchodzenia się cząsteczek * okres drgań
g = V / f długość fali = szybkość rozchodzenia się fali / częstotliwość drgań
IV ODBICIE I UGIĘCIE SIĘ FALI
Gdy fala napotka na swojej drodze przeszkodę, to ulega ODBICIU; ustawiając przeszkodę pod różnymi kątami, można dowolnie zmienić kierunek biegu fali po odbiciu
Fala, natrafiając na wąską szczelinę w przegrodzie, ulega UGIĘCIU (DYFRAKCJI); fala po przejściu przez szczelinę, staje się falą kulistą i rozchodzi się we wszystkich kierunkach; fala ulega ugięciu także na krawędziach przeszkody
Załamanie fali - ma miejsce gdy fala napotyka na granicy dwóch ośrodków, to przechodząc do drugiego środka, na ogół zmienia nagle kierunek ruchu
Fala kulista:
- źródłem fali jest punkt (pionowo do lustra wody ustawiony kij)
- powstają fale współśrodkowe
- rozchodzi się we wszystkich kierunkach
Fala płaska:
- źródłem fali jest równolegle ułożony do lustra wody kij
- fale są równoległymi do siebie liniami
- grzbiety układają się wzdłuż linii prostych
V NAKŁADANIE SIĘ FALI
Nakładanie się fali - INTERFERENCJA:
Fale rozchodzące się w tym samym ośrodku, ale pochodzące z kilku źródeł (szczelin) nakładają się na siebie, tz. że sobą interferują, w wyniku czego w niektórych miejscach otrzymujemy maksymalne wzmocnienie, a w innych maksymalne osłabienie (wygaszenie się fali)
- Maksymalne wzmocnienie jest wtedy, gdy spotykają się fale w zgodnych fazach, tz. grzbiet z grzbietem a dolina z doliną
- Maksymalne osłabienie ma miejsce wtedy, gdy spotykają się fale w fazach przeciwnych, czyli grzbiet z doliną
Jeśli odległość między szczelinami jest dłuższa niż długość fali, zauważamy kilka zagęszczeń, zaś gdy odległość jest bardzo mała, linie maksymalnego wzmocnienia i osłabienia znikają
VI POWSTANIE I ROZCHODZENIE SIĘ FAL GŁOSOWYCH
Fale głosowe, czyli akustyczne to fale o częstotliwościach od 20Hz do 20k Hz (20000)
Cieczach i gazach są to fale podłużne (polegają one na rozchodzeniu się następujących po sobie na przemian zagęszczeń i rozrzedzeń cząsteczek ośrodka), zaś w ciałach stałych poprzeczne i podłużne
Szybkość rozchodzenia się fal głosowych zależy od rodzaju ośrodka w którym się rozchodzą
W jaki sposób słyszymy falę głosową?
- kolejno po sobie następujące zagęszczenia i rozrzedzenia częstotliwości spowodowane jest źródłem fali głosowej tworzonej w powietrzu falę podłużną
Fala ta dochodzi do naszego ucha i powoduje drgania błony bębenkowej
Kamerton - metalowy pręt w kształcie litery U i pudło rezonansowe:
- uderzenie 1 kamertonu , po chwili wyciszamy go dłonią i słyszymy dźwięk 2 kamertonu
W powietrzu fala głosowa rozchodzi się z prędkością 340m/s; w próżni nie rozchodzi się, bo nie ma cząsteczek, które by mogła przenosić
VII CZYM MOGĄ SIĘ RÓŻNIĆ DŹWIĘKI
Nie wszystkie źródła fali akustycznej drgają tak jak kamerton (nie wszystkie wydają tomy)
Fale głosowe okresowe (o stałej częstotliwości) to tony i dźwięki, z których można skomponować melodię
Niektóre źródła fali głosowej w ogóle nie posiadają stałej częstotliwości - drgania są nieregularne, słyszymy wtedy szmer > szmer może to być szept, szum drzew, chrobot myszki, a nawet hałas w hali fabrycznej
Istnieją też źródła o drganiach okresowych, tz. o stałej częstotliwości, są to instrumenty muzyczne i struny głosowe śpiewającego człowieka; źródła te wysyłają dźwięki
Cechy dźwięku, które można zmierzyć (fizyczne):
- częstotliwość
- natężenie (poziom natężenia)
- stopień skomplikowania drgań
Cechy dźwięku rozpoznawalne przez ucho:
- wysokość - dźwięk o dużej częstotliwości to dźwięk wysoki, a o małej, niski
- głośność dźwięku - zależy od amplitudy drgań 0 związane jest to z energią odbieraną przez błonę bębenkową ucha - im jest większa, tym słyszymy głośniejszy dźwięk, a im niższa, dym dźwięk słyszymy ciszej
- barwa dźwięku - każdy człowiek ma swoją charakterystyczną barwę dźwięku (instrumenty również)
60 - 70 dB - granica powyżej której słyszalne dźwięki są dla naszego ucha szkodliwe
Z głośnością dźwięku związany jest poziom natężenia dźwięku, wyrażany w decybelach dB
VIII UGIĘCIE I ODBICIE FALI GŁOSOWEJ - ULTRADŹWIĘKI
Fale głosowe w zależności od ich długości, mogą uginać się na szczelinach o szerokości od kilku centymetrów do kilkunastu metrów
Dźwięk pokonuje drogę do powierzchni od której się odbija i z powrotem; połowa tej drogi równa jest odległości
Gdy fala głosowa odbija się od przeszkody i wraca do naszych uszu, słyszymy echo lub pogłos
Echo - powstaje, gdy fala głosowa odbija się np. od dostatecznie oddalonego zbocza góry, ściany budynku lub lasu i wraca do nas w krótkim czasie po jej wysłaniu
Pogłos - powstaje jeżeli ściana znajduje się niezbyt daleko od nas
Gosha7