Підручник Фізика 9 клас - Т.М. Засєкіна - Оріон 2017 рік

Розділ 3 МЕХАНІЧНІ ТА ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ ХВИЛІ

§ 22. ЗВУКОВІ ХВИЛІ. ШВИДКІСТЬ ПОШИРЕННЯ ЗВУКУ

Ви дізнаєтесь

- Які хвилі людина сприймає як звук

Пригадайте

- Механізм утворення хвиль

Утворення звукових хвиль. Від 70 до 90 % інформації про навколишній світ людина отримує завдяки зору й близько 10 % — завдяки слуховим відчуттям. Вивчаючи розділ «Світлові явища», ми з’ясували, як людина бачить навколишній світ. З’ясуємо, що таке звук і як людина чує навколишній світ.

Як уже було згадано в попередньому параграфі, звук — це механічні хвилі, що поширюються у пружному середовищі. В умовах вакууму, наприклад у космосі, звук не поширюється, тому що там відсутні частинки, які розповсюджують звукові хвилі.

Звукова хвиля (або просто звук) виникає завдяки механічним коливанням різних тіл. Проте не будь-які механічні коливання створюють звук. Наприклад, розглянуті нами в попередньому параграфі коливання маятників не створюють звуку. Не створюватиме звуку й довга сталева лінійка, якщо вона коливатиметься, будучи закріпленою на штативі (мал. 152, а) або затиснутою на краю стола. Проте якщо вкоротити виступаючий кінець лінійки (мал. 152, б), то ми виявимо, що лінійка почне звучати. Річ тут ось у чому. Сталева лінійка, що коливається, стискає шар повітря, яке прилягає до одного з її боків, і водночас створює розрідження з іншого боку. Ці стиснення й розрідження чергуються та поширюються в обидва боки у вигляді повздовжньої хвилі. При цьому, що коротшою є вільна (коливна) частина лінійки, то частіші будуть коливання. Якщо кількість коливань стає більшою, ніж 16 разів за секунду (від 16 до 20 000 Гц), то такі коливання ми чуємо.

Мал. 152. Коливання лінійки: а — без утворення звукових хвиль; б — як джерела звукових хвиль

Звукові хвилі (звук) — це повздовжні механічні хвилі частотою від 16 до 20 000 Гц, що поширюються в пружному середовищі й сприймаються органами слуху людини.

Швидкість поширення звуку. Звукові хвилі, як і всі інші хвилі, поширюються з кінцевою швидкістю. Швидкість поширення звукових хвиль називається швидкістю звуку. Вам неодноразово доводилось помічати, що блискавку видно раніше, ніж чути гуркіт грому; спочатку видно спалах від пострілу, а через певний час чути й звук, тобто на поширення звукових коливань від джерела до ваших органів слуху потрібно більше часу, ніж на поширення світла.

Уявлення про скінченну величину швидкості звуку на основі спостереження за явищем луни та затримкою появи звуку після пострілу гармати сформувалося досить давно. Саме ці явища стали підґрунтям для перших спроб вимірювання швидкості звуку в повітрі. Декілька ретельно організованих дослідів з вимірювання швидкості звуку було проведено у Флорентійській академії досліду до 1660 р. Одержане значення швидкості звуку 350 — залишалось еталоном для експериментаторів більш як століття. Слід відзначити, що ці вимірювання не враховували зміну стану атмосфери (температуру, тиск, вологість, швидкість вітру). Вивчення впливу цих факторів почалося лише в XIX ст. У 1822 р. за допомогою дослідів Франсуа Араго, Гаспар де Проні й Жозеф Гей-Люссак встановили, що в повітрі за температури 10 °С швидкість поширення звуку дорівнює 337,2 .

У воді швидкість поширення звуку є більшою, ніж у повітрі. Уперше її виміряли в 1827 р. на Женевському озері в Швейцарії. На одному човні запалювали порох і синхронно вдаряли в підводний дзвін. Другий човен був на відстані 14 км від першого. Звук уловлювали за допомогою опущеного у воду рупора. За різницею часу між спалахом світла (початком поширення звукової хвилі) й надходженням звукового сигналу визначали швидкість поширення звуку. За температури 8 °С швидкість поширення звуку у воді дорівнює 1435 .

Як бачимо, швидкість звуку залежить від середовища, у якому він поширюється, та від температури цього середовища.

У таблиці наведено швидкості поширення звукових хвиль у деяких середовищах.

У рідинах (за винятком води) з підвищенням температури швидкість поширення звуку зменшується, а в газах за незмінного тиску швидкість поширення звуку з підвищенням температури збільшується. Спробуйте самостійно пояснити, чому так відбувається.

Є матеріали, які погано проводять звук, оскільки коливання в них швидко загасають. Такі матеріали, як, наприклад, пористі панелі, пінопласт, використовують для звукоізоляції, тобто для захисту приміщень від проникнення в них сторонніх звуків.

Відбивання звукових хвиль. Ехолокація. Якщо звукова хвиля поширюється в якому-небудь середовищі, то рано чи пізно вона дійде до межі цього середовища, за яким починається інше. Це інше середовище складається з інших частинок, і швидкість поширення звуку в ньому є іншою. На такій межі спостерігається відбивання звукової хвилі (мал. 153) подібно до відбивання світла на межі повітря й дзеркала.

Відбивання відбувається тому, що коливання звукової хвилі передаються частинкам іншого середовища. Ці частинки самі стають джерелами нової (вторинної) звукової хвилі. Вторинна хвиля поширюється не тільки в другому середовищі, а й у першому, звідки надійшла первинна хвиля. Це і є відбита хвиля.

На межі поділу двох середовищ звук не тільки відбивається, а й поглинається, проникаючи в інше середовище. Наприклад, оштукатурена стіна поглинає майже 8 % енергії звукових хвиль, а килим — 20 %.

З відбиванням звуку пов’язане відоме всім явище — луна. Воно полягає в тому, що звук від джерела доходить до деякої перешкоди (краю лісу, стіни, гори тощо), відбивається від неї й повертається до місця, де виникли звукові коливання. Якщо первинний і відбитий звуки доходять до слухача не одночасно, то він чує звук двічі. Бувають випадки, коли звук відбивається кілька разів, тоді й почути його можна кілька разів (наприклад, гуркіт грому).

Відбивання звукових хвиль має широке практичне використання в природі й техніці. Так, виявлення об’єктів за відбитими звуковими хвилями є основою ехолокації (мал. 154).

Мал. 153. Відбивання звукової хвилі

Мал. 154. Приклади використання ехолокації

Тварини (кажани, кити та дельфіни) використовують ехолокацію для навігації й полювання. Ехолокацію вони здійснюють таким чином: тварина періодично подає звукові сигнали і сприймає вухами відбиті хвилі (луну). Потім ця інформація інтерпретується мозком, утворюючи уявний образ довкілля.

Подібний метод орієнтації у просторі застосовують й люди з вадами зору. Вони роблять це, видаючи звуки: ротом, ногою або тростиною. Іншими словами, людина, видаючи звуки, навчається, або точніше сказати, розвиває в собі здатність приймати луну від предметів, і робить це з достатньою точністю. Люди з вадами зору здатні отримувати уявний образ світу за відбитими звуками, які чують!

Підбиваємо підсумки

- Сприйматися органами слуху людини як звук можуть коливання в середовищі частотою від 16 до 20 000 Гц. Звукові хвилі — повздовжні. Швидкість звуку залежить відсередовища, у якому він поширюється, та від температури цього середовища.

- Звукові хвилі здатні відбиватися. З відбиванням звуку пов’язані луна та метод орієнтації й визначення відстані до об’єктів у просторі — ехолокація.

ФОРМУЄМО КОМПЕТЕНТНІСТЬ

Я поміркую й зможу пояснити

1. Які коливання називають звуковими? Які тіла можуть бути джерелом звуку?

2. Якщо помахати рукою в повітрі, то від її поверхні в обидві сторони поширюватимуться механічні хвилі. Чому ми їх не чуємо?

3. Чи можна почути на Землі гуркіт від падіння метеориту на поверхню Місяця? Поясніть.

4. Від чого залежить швидкість поширення звукових коливань?

5. Яке фізичне явище називають луною? У чому полягає суть ехолокації? Наведіть приклади застосування ехолокації.

Я можу застосовувати знання й розв'язувати задачі

Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити