Механика. Механические колебания и волны, звук

Конспект

Механика. Механические колебания и волны, звук

Раздел ОГЭ по физике: 1.23. Механические колебания. Амплитуда, период и частота колебаний. Формула, связывающая частоту и период колебаний. Механические волны.

Продольные и поперечные волны. Длина волны и скорость распространения волны. Звук. Громкость и высота звука. Скорость распространения звука. Отражение и преломление звуковой волны на границе двух сред.

Инфразвук и ультразвук.

Движение, при котором состояния движущегося тела с течением времени повторяются, причём тело проходит через положение своего устойчивого равновесия поочерёдно в противоположных направлениях, называется механическим колебанием.

Условием возникновения колебания является наличие в системе возвращающей силы, всегда направленной к положению устойчивого равновесия. Каждый законченный цикл колебательного движения, после которого оно вновь повторяется, называется полным колебанием.

Смещением х называется отклонение колеблющейся точки от положения равновесия в данный момент времени.

Амплитудой колебанийхm называется модуль наибольшего смещения тела от положения равновесия при колебательном движении.

Периодом колебания Т называется время, за которое совершается одно полное колебание: Т = t/N.

Величину, равную числу колебаний, совершаемых за единицу времени, называют частотой колебаний 

Механическое колебание, при котором координата тела меняется по закону синуса или косинуса, называется гармоническим колебанием.

Математическим маятником называют материальную точку, подвешенную на тонкой нерастяжимой нити. Маленький металлический шарик, подвешенный на длинной нити, можно условно считать математическим маятником.

При колебаниях математического маятника (в отсутствие сил трения) выполняется закон сохранения механической энергии и периодически происходит переход потенциальной энергии в кинетическую и обратно.

В положении максимального отклонения от положения равновесия потенциальная энергия маятника максимальна, а кинетическая равна нулю.

При приближении к положению равновесия потенциальная энергия уменьшается, а кинетическая увеличивается, достигая максимального значения в положении равновесия, в котором потенциальная становится равной нулю: Wполн = Wп + Wк = const Eполн = Eк max = Еп maх.

 Затухающими называются колебания, амплитуда которых уменьшается с течением времени. Затухание свободных механических гармонических колебаний связано с уменьшением механической энергии колебательной системы за счёт работы сил сопротивления (трения).

Механические волны. Звук

Если в упругой среде (газ, жидкость или твёрдое тело) имеется источник колебаний, то в ней с течением времени происходит процесс распространения колебаний, этот процесс называется волной.

Волны, распространяющиеся в упругой среде, называются механическими волнами. В волне осуществляется перенос энергии колебательного движения без переноса вещества (массы) среды, в которой распространяется волна.

Периодом Т волны является период колебаний точек среды при распространении волны.

Длиной волны λ называется расстояние, на которое распространяется волна за один период колебаний: λ = ʋT; ʋ = λv.

Продольными волнами называются волны, в которых направление колебаний частиц происходит в направлении распространения волны. Продольные механические волны могут распространяться в твёрдых, в жидких и в газообразных средах.

Поперечными называются волны, в которых направление колебаний частиц происходит перпендикулярно направлению распространения волны. Поперечные механические волны могут распространяться только в твёрдых телах и на свободной поверхности жидкости.

Звуковыми волнами называются механические волны, вызывающие у человека ощущение звука: ʋзв = (16 ÷ 20 000) Гц.

Характеристики звука

Громкость звука определяется амплитудой колебаний.

Высота тона определяется частотой колебаний.

Скорость звука зависит от плотности среды. Скорость звука в твёрдых телах больше, чем в жидкостях, а в жидкостях больше, чем в газах. Скорость звука увеличивается с ростом температуры среды.

В случае, когда отражающая поверхность перпендикулярна распространению волны, звуковая волна после отражения возвращается обратно к источнику звука. Такой случай отражения называется эхом.

В гидролокации эхо используется для определения глубин, расстояний до преград и других судов.

Конспект урока «Механические колебания и механические волны. Звук».

Следующая тема: «МКТ. Агрегатные состояния вещества».

Источник: https://uchitel.pro/%D0%BC%D0%B5%D1%85%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B5-%D0%BA%D0%BE%D0%BB%D0%B5%D0%B1%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%8F-%D0%B8-%D0%B2%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D1%8B-%D0%B7%D0%B2%D1%83%D0%BA/

Презентация по физике на тему

Механика. Механические колебания и волны, звук

Инфоурок › Физика ›Презентации›Презентация по физике на тему «Механические колебания и волны.Звук» (9 класс)

Описание презентации по отдельным слайдам:

1 слайдОписание слайда:

Механические колебания и волны. Звук. для изучения темы в курсе 9 класса Учитель физики БОУ «Тарская гимназия №1 им. А. М. Луппова» Гайсина И. В.

2 слайдОписание слайда:

Механические колебания и волны 1. Колебания, виды колебаний 2. Свободные колебания 3. Математический маятник 4. Пружинный маятник 5. Основные характеристики колебаний 6. Гармонические колебания а) понятие б) уравнение и графики в) превращение энергии 7. Вынужденные колебания 8. Резонанс 9. Волны, поперечные и продольные волны 10. Звуковые волны *

3 слайдОписание слайда:

* Звуковые волны Звук, ультразвук, инфразвук Источники звука Высота звука 1) Чистый тон 2) Основная частота 3) Обертоны 4) Тембр звука Громкость звука Единица громкости звука, уровень громкости Акустический резонанс Решение задач

4 слайдОписание слайда:

* Механические колебания – это движения или процессы, которые точно или приблизительно повторяются через определенные интервалы времени. Колебания механических величин (смещения, скорости, ускорения, энергии и т. п.

) Виды колебаний: Свободные колебания — колебания, происходящие после выведения системы из положения равновесия. Вынужденные колебания — колебания, совершаемые телом под действием внешней периодически изменяющейся силы.

Колебательные системы — системы тел, способные совершать свободные колебания. Механические колебания

5 слайдОписание слайда:

Свободные Колебания, возникающие при однократном воздействии внешней силы (первоначальном сообщении энергии) и при отсутствии внешних воздействий на колебательную систему. Условия возникновения свободных колебаний 1.

Колебательная система должна иметь положение устойчивого равновесия. 2. При выведении системы из положения равновесия должна возникать равнодействующая сила, возвращающая систему в исходное положение. 3. Инертность системы. 4.

Силы трения (сопротивления) очень малы. *

6 слайдОписание слайда:

Математический маятник   это материальная точка, подвешенная на невесомой и нерастяжимой нити. Реальный маятник можно считать математическим, если длина нити  много больше размеров подвешенного на ней тела, масса нити ничтожна мала по сравнению с массой тела, а деформации нити настолько малы, что ими вообще можно пренебречь.

Колебательную систему в данном случае образуют нить, присоединенное к ней тело и Земля, без которой эта система не могла бы служить маятником. Причинами свободных колебаний математического маятника являются: 1.  Действие на маятник силы натяжения и силы тяжести, препятствующей его смещению из положения равновесия и заставляющей его снова опускаться.

2. Инертность маятника, благодаря которой он, сохраняя свою скорость, не останавливается в положении равновесия, а проходит через него дальше. . Период свободных колебаний математического маятника не зависит от его массы, а определяется лишь длиной нити и ускорением свободного падения в том месте, где находится маятник.

Период свободных колебаний математического маятника *

7 слайдОписание слайда:

Пружинный маятник Материальная точка, закрепленная на абсолютно упругой пружине. Циклическая частота и период колебаний равны: *

8 слайд 9 слайдОписание слайда:

* Гармонические колебания – это колебания, при которых колеблющаяся величина изменяется со временем по закону синуса или косинуса. х = хmcosωt =ωt – фаза колебаний (аргумент синуса или косинуса). хm — амплитуда колебаний – наибольшее по модулю отклонение тела от положения равновесия. Точка поворота – точка, в которой скорость колеблющегося тела равна нулю. Гармонические колебания

10 слайдОписание слайда:

Превращение энергии график зависимости потенциальной и кинетической энергии пружинного маятника от координаты х. качественные графики зависимостей кинетической и потенциальной энергии от времени. *

11 слайдОписание слайда:

Вынужденные Колебания, возникающие под действием внешних, периодически изменяющихся сил (при периодическом поступлении энергии извне к колебательной системе). Частота вынужденных колебаний равна частоте изменения внешней силы. Если F(t) изменяется по закону синуса или косинуса, то вынужденные колебания будут гармоническими. *

12 слайдОписание слайда:

Резонанс – это явление, при котором резко возрастает амплитуда вынужденных колебаний (происходит наиболее полная передача энергии от одной колебательной системы к другой). Чем меньше трение, тем больше возрастает амплитуда резонансных колебаний. Резонанс наблюдается, когда частота собственных колебаний совпадает с вынужденной частотой  = o. *

13 слайдОписание слайда:

РЕЗОНАНС – резкое возрастание амплитуды вынужденных колебаний при совпадении собственной частоты колебательной системы с частотой вынуждающей силы (с частотой внешнего воздействия). *

14 слайдОписание слайда:

волны Распространение колебаний от точки к точке (от частицы к частице) в пространстве с течением времени. * Основные характеристики волн

15 слайдОписание слайда:

Волны Волны – возмущения, распространяющиеся в пространстве, удаляясь от места их возникновения (возмущения – изменения некоторых физических величин, характеризующих состояние среды, таких как сила упругости в пружине, ускорение и скорость движения колеблющихся витков, их смещение от положения равновесия). Упругие волны – механические возмущения, распространяющиеся в упругой среде. Длина волны (λ) — расстояние между ближайшими точками, колеблющимися в одинаковых фазах. * Скорость распространения волн = λ/Т

16 слайдОписание слайда:

Поперечные -это волны, в которых частицы среды колеблются перпендикулярно направлению волны. Деформация сдвига в твердых телах, на поверхности жидкости. . Продольные – это волны, в которых частицы среды колеблются вдоль направления распространения волны. Деформация сжатия в газах, жидкостях, твердых телах.

Причины возникновения механических волн 1.Упругая среда (частицы среды взаимодействуют за счет сил упругости) 2.Инертность частиц Волны и энергия 1.Вместе с колебаниями волной переносится энергия колебаний, хотя сами носители этой энергии, колеблющиеся частицы, с волной не переносятся. 2.

Волна является переносчиком энергии. *

17 слайдОписание слайда:

Звук – продольная механическая волна определенной частоты. Звуковые волны с частотами от 16 до 20000 Гц воздействуют на органы слуха человека, вызывают слуховые ощущения и называются слышимыми звуками.

Звуковые волны с частотами менее 16 Гц называются инфразвуками, а с частотами более 20000 Гц – ультразвуками. Высота тона зависит от частоты: чем больше частота, тем выше тон. Громкость звука зависит от интенсивности звука, т.е. определяется амплитудой колебаний в звуковой волне.

Наибольшей чувствительностью органы слуха обладают к звукам с частотами от 700 до 6000 Гц. *

18 слайдОписание слайда:

Звуковые колебания Источником звука, всегда бывают колеблющиеся тела: струна, камертон, столб воздуха в духовых инструментах, ые связки человека и т.п. Звуковые колебания — механические колебания частотой от 16Гц до 20000Гц. Ультразвуковые колебания — колебания частотой более 20000Гц. Инфразвук — колебания частотой менее 16Гц. *

19 слайдОписание слайда:

Источники звука *

20 слайдОписание слайда:

Звуковые явления Проводником звука может быть любая упругая среда. Звук распространяется в любой упругой среде, но не распространяется в вакууме. Скорость звука в воздухе при 00С и нормальном атмосферном давлении равна 332 м/с, при 200С — 343 м/с. Скорость звука при 200С в воде 1483м/с, в стали — 5000 — 6100м/с. *

21 слайдОписание слайда:

Высота звука Высота звука зависит от частоты колебаний: чем больше частота колебаний источника звука, тем выше издаваемый звук. Чистый тон – звук источника, совершающего гармонические колебания одной частоты.

Основная частота – самая низкая частота сложного звука ( соответствующий ей звук определенной высоты – основной тон). Обертоны – все остальные тоны сложного звука (частота всех обертонов данного звука в целое число раз больше частоты основного тона).

Тембр звука определяется совокупностью его обертонов. *

22 слайдОписание слайда:

Громкость звука Громкость звука зависит от амплитуды колебаний: чем больше амплитуда колебаний, тем громче звук. Громкость звука зависит также от его длительности и от индивидуальных особенностей слушателя. Сон – единица громкости звука.

В фонах измеряется уровень громкости (уровень звукового давления измеряется в белах(Б) или децибелах(дБ)).

Уровень шума 20 – 30 дБ — безвредно для здоровья, 80 дБ — допустимая граница, 130 дБ — вызывает у человека болевые ощущения в ухе и даже чувствует кожей, 150 дБ — непереносимость (в Средние века «казнь под колоколом»). *

23 слайдОписание слайда:

Характеристики звука Объективные физические характеристики звука: амплитуда, период, частота.

Субъективные физические характеристики звука: высота (определяется высотой основного тона), громкость (характеризует уровень слухового ощущения), тембр звука (определяется спектральным составом).

Восприятие звука органами слуха зависит от того, какие частоты входят в состав звуковой волны. Задание: По приведенным графикам определите объективные характеристики звука: амплитуду, период, частоту. Какой звук выше, и какой громче? От чего это зависит?   *

24 слайдОписание слайда:

Графики *

25 слайдОписание слайда:

Графики *

26 слайдОписание слайда:

Акустический резонанс Знаменитый певец Шаляпин мог запеть так, что лопались плафоны в люстрах. Резонанс вызван совпадением частоты собственных колебаний стеклянного сосуда с частотой звука, но петь при этом необходимо так же громко, как Шаляпин. *

27 слайдОписание слайда:

Акустический резонанс широко применяется в музыкальных инструментах : пустые полости в них имеют такой объем и форму, что усиливают извлекаемый звук, издаваемый струнами. *

28 слайдОписание слайда:

Акустический резонанс Аналогично, для усиления звука проектируются объем и форма внутренних помещений, в которых планируется петь или играть музыку. *

29 слайдОписание слайда:

Ящик камертона, корпус музыкальных инструментов, трубы духовых инструментов – резонаторы, усиливающие их звучание. Человек имеет собственный резонатор – полость рта. *

30 слайдОписание слайда:

Задача №1: Камертон один раз зажат в тисках, а другой раз стоит на резонаторном ящике. В обоих случаях камертон возбуждается одинаковыми по силе ударами.

В каком случае камертон будет звучать дольше? Ответ: Камертон без резонаторного ящика звучит гораздо слабее, чем с ящиком, и, следовательно, теряет меньше энергии в единицу времени на излучение звуковых волн.

Поэтому камертон, зажатый в тисках, будет звучать дольше. *

31 слайдОписание слайда:

Задача №2: Пружины жесткости k1 и k2 соединены так, как показано на рисунке. К ним прикреплено тело массой m, которое может скользить по горизонтальной поверхности без трения.

Чему равен период колебаний тела? Решение: При смещении тела на величину x от положения равновесия силы, действующие на него со стороны пружин, равны F1=k1x, F2=k2x.

При этом восстанавливающая сила F=F1+F2, тогда kx=k1x+k2x ; k=k1+k2, T=2π *

32 слайдОписание слайда:

Задача №3: Найти жёсткость пружины, если скреплённое с ней тело массой 30 г совершает за 1 минуту 300 колебаний. *

33 слайдОписание слайда:

Задача №4: Точка совершает гармонические колебания с периодом T. Определите время t, через которое точка сместится из положения равновесия на половину амплитуды. Решение: Уравнение колебаний точки * В момент времени t координата точки поэтому

34 слайдОписание слайда:

Решение задач Задача №5: Определите длину волны сигналов, испускаемых летучими мышами (1= 100кГц) и дельфинами (2= 1МГц). Ответ: 1,5мм; 3,43мм. *

35 слайдОписание слайда:

Спасибо за внимание! *

Курс повышения квалификации

ЕГЭ по физике: методика решения задач

Общая информация

Источник: https://infourok.ru/prezentaciya-po-fizike-na-temu-mehanicheskie-kolebaniya-i-volnizvuk-klass-2183923.html

Механические колебания и волны – FIZI4KA

Механика. Механические колебания и волны, звук

ЕГЭ 2018 по физике ›

Механические колебания – периодически повторяющееся перемещение материальной точки, при котором она движется по какой-либо траектории поочередно в двух противоположных направлениях относительно положения устойчивого равновесия.

Отличительными признаками колебательного движения являются:

  • повторяемость движения;
  • возвратность движения.

Для существования механических колебаний необходимо:

  • наличие возвращающей силы – силы, стремящейся вернуть тело в положение равновесия (при малых смещениях от положения равновесия);
  • наличие малого трения в системе.

Механические волны – это процесс распространения колебаний в упругой среде.

Виды волн

  • Поперечная – это волна, в которой колебание частиц среды происходит перпендикулярно направлению распространения волны.

Поперечная волна представляет собой чередование горбов и впадин.
Поперечные волны возникают вследствие сдвига слоев среды относительно друг друга, поэтому они распространяются в твердых телах.

  • Продольная – это волна, в которой колебание частиц среды происходит в направлении распространения волны.

Продольная волна представляет собой чередование областей уплотнения и разряжения.
Продольные волны возникают из-за сжатия и разряжения среды, поэтому они могут возникать в жидких, твердых и газообразных средах.

Важно!
Механические волны не переносят вещество среды. Они переносят энергию, которая складывается из кинетической энергии движения частиц среды и потенциальной энергии ее упругой деформации.

Гармонические колебания

Гармонические колебания – простейшие периодические колебания, при которых координата тела меняется по закону синуса или косинуса:

где ​\( x \)​ – координата тела – смещение тела от положения равновесия в данный момент времени; ​\( A \)​ – амплитуда колебаний; ​\( \omega t+\varphi_0 \)​ – фаза колебаний; ​\( \omega \)​ – циклическая частота; ​\( \varphi_0 \)​ – начальная фаза.

Если в начальный момент времени тело проходит положение равновесия, то колебания являются синусоидальными.

Если в начальный момент времени смещение тела совпадает с максимальным отклонением от положения равновесия, то колебания являются косинусоидальными.

Скорость гармонических колебаний
Скорость гармонических колебаний есть первая производная координаты по времени:

где ​\( v \)​ – мгновенное значение скорости, т. е. скорость в данный момент времени.

Амплитуда скорости – максимальное значение скорости колебаний, это величина, стоящая перед знаком синуса или косинуса:

Ускорение гармонических колебаний
Ускорение гармонических колебаний есть первая производная скорости по времени:

где ​\( a \)​ – мгновенное значение ускорения, т. е. ускорение в данный момент времени.

Амплитуда ускорения – максимальное значение ускорения, это величина, стоящая перед знаком синуса или косинуса:

Если тело совершает гармонические колебания, то сила, действующая на тело, тоже изменяется по гармоническому закону:

где ​\( F \)​ – мгновенное значение силы, действующей на тело, т. е. сила в данный момент времени.

Амплитуда силы – максимальное значение силы, величина, стоящая перед знаком синуса или косинуса:

Тело, совершающее гармонические колебания, обладает кинетической или потенциальной энергией:

где ​\( W_k \)​ – мгновенное значение кинетической энергии, т. е. кинетическая энергия в данный момент времени.

Амплитуда кинетической энергии – максимальное значение кинетической энергии, величина, стоящая перед знаком синуса или косинуса:

При гармонических колебаниях каждую четверть периода происходит переход потенциальной энергии в кинетическую и обратно.
В положении равновесия:

  • потенциальная энергия равна нулю;
  • кинетическая энергия максимальна.

При максимальном отклонении от положения равновесия:

  • кинетическая энергия равна нулю;
  • потенциальная энергия максимальна.

Полная механическая энергия гармонических колебаний
При гармонических колебаниях полная механическая энергия равна сумме кинетической и потенциальной энергий в данный момент времени:

Важно!
Следует помнить, что период колебаний кинетической и потенциальной энергий в 2 раза меньше, чем период колебаний координаты, скорости, ускорения и силы. А частота колебаний кинетической и потенциальной энергий в 2 раза больше, чем частота колебаний координаты, скорости, ускорения и силы.

Графики зависимости кинетической, потенциальной и полной энергий всегда лежат выше оси времени.

Если сила сопротивления отсутствует, то полная энергия сохраняется. График зависимости полной энергии от времени есть прямая, параллельная оси времени (в отсутствие сил трения).

Амплитуда и фаза колебаний

Амплитуда колебаний – модуль наибольшего смещения тела от положения равновесия.
Обозначение – ​\( A\, (X_{max}) \)​, единицы измерения – м.

Фаза колебаний – это величина, которая определяет состояние колебательной системы в любой момент времени.
Обозначение – ​\( \varphi \)​, единицы измерения – рад (радиан).

Фаза колебаний – это величина, стоящая под знаком синуса или косинуса. Она показывает, какая часть периода прошла от начала колебаний. Фаза гармонических колебаний в процессе колебаний изменяется.

​\( \varphi_0 \)​ – начальная фаза колебаний.

Начальная фаза колебаний – величина, которая определяет положение тела в начальный момент времени.

Важно!
Путь, пройденный телом за одно полное колебание, равен четырем амплитудам.

Период колебаний

Период колебаний – это время одного полного колебания.
Обозначение – ​\( T \)​, единицы измерения – с.

Период гармонических колебаний – постоянная величина.

Частота колебаний

Частота колебаний – это число полных колебаний в единицу времени.
Обозначение – ​\( u \)​, единицы времени – с-1 или Гц (Герц).

1 Гц – это частота такого колебательного движения, при котором за каждую секунду совершается одно полное колебание:

Период и частота колебаний – взаимно обратные величины:

Циклическая частота – это число колебаний за 2π секунд.
Обозначение – ​\( \omega \)​, единицы измерения – рад/с.

Свободные колебания (математический и пружинный маятники)

Свободные колебания – колебания, которые совершает тело под действием внутренних сил системы за счет начального запаса энергии после того как его вывели из положения устойчивого равновесия.

Условия возникновения свободных колебаний:

  • при выведении тела из положения равновесия должна возникнуть сила, стремящаяся вернуть его в положение равновесия;
  • силы трения в системе должны быть достаточно малы. При наличии сил трения свободные колебания будут затухающими.

При наличии сил трения свободные колебания будут затухающими.
Затухающие колебания – это колебания, амплитуда которых с течением времени уменьшается.

Математический маятник – это материальная точка, подвешенная на невесомой нерастяжимой нити.

Период колебаний математического маятника:

Частота колебаний математического маятника:

Циклическая частота колебаний математического маятника:

Максимальное значение скорости колебаний математического маятника:

Максимальное значение ускорения колебаний математического маятника:

Период свободных колебаний математического маятника, движущегося вверх с ускорением или вниз с замедлением:

Период свободных колебаний математического маятника, движущегося вниз с ускорением или вверх с замедлением:

Период свободных колебаний математического маятника, горизонтально с ускорением или замедлением:

Мгновенное значение потенциальной энергии математического маятника, поднявшегося в процессе колебаний на высоту ​\( h \)​, определяется по формуле:

где ​\( l \)​ – длина нити, ​\( \alpha \)​ – угол отклонения от вертикали.

Пружинный маятник – это тело, подвешенное на пружине и совершающее колебания вдоль вертикальной или горизонтальной оси под действием силы упругости пружины.

Период колебаний пружинного маятника:

Частота колебаний пружинного маятника:

Циклическая частота колебаний пружинного маятника:

Максимальное значение скорости колебаний пружинного маятника:

Максимальное значение ускорения колебаний пружинного маятника:

Мгновенную потенциальную энергию пружинного маятника можно найти по формуле:

Амплитуда потенциальной энергии – максимальное значение потенциальной энергии, величина, стоящая перед знаком синуса или косинуса:

Важно!
Если маятник не является ни пружинным, ни математическим (физический маятник), то его циклическую частоту, период и частоту колебаний по формулам, применимым к математическому и пружинному маятнику, рассчитать нельзя. В данном случае эти величины рассчитываются из формулы силы, действующей на маятник, или из формул энергий.

Вынужденные колебания

Вынужденные колебания – это колебания, происходящие под действием внешней периодически изменяющейся силы.

Вынужденные колебания, происходящие под действием гармонически изменяющейся внешней силы, тоже являются гармоническими и незатухающими. Их частота равна частоте внешней силы и называется частотой вынужденных колебаний.

Резонанс

Резонанс – явление резкого возрастания амплитуды колебаний, которое происходит при совпадении частоты вынуждающей силы и собственной частоты колебаний тела.

Условие резонанса:

​\( v_0 \)​ – собственная частота колебаний маятника.

На рисунке изображены резонансные кривые для сред с разным трением. Чем меньше трение, тем выше и острее резонансная кривая.

Явление резонанса учитывается при периодически изменяющихся нагрузках в машинах и различных сооружениях.
Также резонанс используется в акустике, радиотехнике и т. д.

Длина волны

Длина волны – это расстояние, на которое волна распространяется за один период, т. е. это кратчайшее расстояние между двумя точками среды, колеблющимися в одинаковых фазах.
Обозначение – ​\( \lambda \)​, единицы измерения – м.

Расстояние между соседними гребнями или впадинами в поперечной волне и между соседними сгущениями или разряжениями в продольной волне равно длине волны.

Скорость распространения волны – это скорость перемещения горбов и впадин в поперечной волне и сгущений или разряжений в продольной волне.

Звук

Звук – это колебания упругой среды, воспринимаемые органом слуха.

Условия, необходимые для возникновения и ощущения звука:

  • наличие источника звука;
  • наличие упругой среды между источником и приемником звука;
  • наличие приемника звука; • частота колебаний должна лежать в звуковом диапазоне;
  • мощность звука должна быть достаточной для восприятия.

Звуковые волны – это упругие волны, вызывающие у человека ощущение звука, представляющие собой зоны сжатия и разряжения, передающиеся на расстояние с течением времени.

Классификация звуковых волн:

  • инфразвук (​\( u \)​ < 16 Гц);
  • звуковой диапазон (16 Гц < \( u \) < 20 000 Гц);
  • ультразвук (\( u \) > 20 000 Гц).

Скорость звука – это скорость распространения фазы колебания, т. е. области сжатия и разряжения среды.

Скорость звука зависит

  • от упругих свойств среды:

в воздухе – 331 м/с, в воде – 1400 м/с, в металле – 5000 м/с;

в воздухе при температуре 0°С – 331 м/с,
в воздухе при температуре +15°С – 340 м/с.

Характеристики звуковой волны

  • Громкость – это величина, характеризующая слуховые ощущения человека, зависящая от амплитуды колебаний в звуковой волне. Единицы измерения – дБ (децибел).
  • Высота тона – это величина, характеризующая слуховые ощущения человека, зависящая от частоты колебаний в звуковой волне. Чем больше частота, тем выше звук. Чем меньше частота, тем ниже звук.
  • Тембр – это окраска звука.

Музыкальный звук – это звук, издаваемый гармонически колеблющимся телом. Каждому музыкальному тону соответствует определенная длина и частота звуковой волны.
Шум – хаотическая смесь тонов.

Основные формулы по теме «Механические колебания и волны»

Источник: https://fizi4ka.ru/egje-2018-po-fizike/mehanicheskie-kolebanija-i-volny-2.html

Вводный урок по теме: «Механические колебания и волны. Звук». урок. Физика 9 Класс

Механика. Механические колебания и волны, звук

Все видели волну домино, знают о цунами. Звук – это тоже волна. Попробуйте разойтись с другом метров на сто и хлопните в ладоши. Вы хлопнули – и всё, а звук распространяется, друг его услышит через некоторое время (см. рис. 1).

Рис. 1. Распространение звука

Звук может отразиться от препятствий и вернуться к вам, это явление называется эхо (см. рис. 2).

Рис. 2. Явление эхо

Звук покидает источник и движется с конечной скоростью.

Бросьте в воду камень, и вы увидите ту же картину: камень уже утонул, а волна всё еще идет, и берега она достигнет только через время (см. рис. 3).

Рис. 3. Распространение волн

До этого мы считали, что что-то материальное передвигается: едет автомобиль, падает капля дождя. А теперь представьте: вы стоите на берегу озера и видите, как мимо проплыл катер и волна пришла к берегу. Это та же вода, которую толкал катер? Нет, вода движется только вверх-вниз, вы поймете это, если проследите за поплавком, который прыгает на волне (см. рис. 4).

Рис. 4. Положение поплавка

Волна прошла, и всё осталось на своих местах. Так что же пришло к берегу, что движется? Такое движение надо изучать как-то по-другому.

От одного участка поверхности к другому передается смещение воды вверх-вниз, и таким образом распространяется (см. рис. 5).

Рис. 5. Смещение воды на поверхностных участках

Передается взаимное положение соседних участков воды. Движется возмущение.

Возмущение – это изменение какой-либо физической величины: положения частиц, скорости, смещение, свечение, если рассматривать не только механику.

Представьте себе гирлянду, по которой идет волна: загорается одна лампочка, потом следующая и так далее. Это же не светящаяся лампочка движется (см. рис. 6).

Рис. 6. Зажигание лампочек гирлянды

Это свет «движется» от лампочки к лампочке. Перемещаться может даже пустота: представьте, как продвигается очередь в магазине. Каждый делает по шагу, а пустое место в очереди продвигается (см. рис. 7).

Рис. 7. Очередь в магазине

Мы будем изучать механические волны, в которых возмущение – это смещение.

Если закрепить один конец пружины и резко дернуть за ее свободный конец, по ней тоже пойдет волна (см. рис. 8).

Рис. 8. Опыт с пружиной

Будут сжиматься один за одним участки пружины, это сжатие и есть возмущение, которое будет передаваться.

Так же сжимаются один за другим участки воздуха, когда распространяется звук. Повышенное давление передается от участка к участку (см. рис. 9).

Рис. 9. Распространение звуковой волны

И это замечательно, мы благодаря этому общаемся: чтобы передалось возмущение воздуха, не должен перемещаться сам воздух от источника звука к уху.

Рассмотрим повторяющиеся события. Понедельник бывает каждые семь дней, солнце встает раз в 24 часа, большая стрелка часов делает полный круг каждый час. Это всё периодические события, повторяющиеся в течение определенного отрезка времени, называемого периодом.

Периодическое (повторяющееся) движение материальных тел называется колебанием.

Земля вращается вокруг Cолнца, звенит струна гитары, дребезжит стекло в окне от проехавшего грузовика – это всё проявления колебаний. Изучение колебаний и их последствий – одна из важнейших частей физики.

Представьте, что происходит, когда физика колебаний не была достаточно хорошо понята при проектировании строений
(см. рис. 10).

Рис. 10. Качание моста на ветру

Колебания, убивавшие летчиков

Вот еще один пример, почему важно изучать колебания. В первой половине ХХ века в авиации столкнулись с проблемой: самолет иногда внезапно разрушался в полете при достижении некоторой скорости. Разрушение начиналось с сильной быстро нарастающей тряски.

При изучении явления выяснилось, что такие колебания крыла самолета имеют ту же природу, что и трепыхание флага или девичьего платья на ветру. Явление назвали флаттер (от англ.

flutter – махать, бить крыльями, вибрировать). Казалось бы, на крыло, на ткань действует поток воздуха с постоянной силой и непонятно, почему возникают колебания.

Благодаря работам нашего ученого Мстислава Келдыша проблема была решена
(см. рис. 11).

Рис. 11. Мстислав Келдыш

Он применил более точную модель колебательной системы, чем существовала до этого. Небольшое изменение сил, возникающих при изгибе крыла и которыми ранее пренебрегали, оказалось решающим в возникновении флаттера. Полученные результаты позволили рассчитать параметры самолета, необходимые для предотвращения флаттера, что спасло множество жизней.

Периодическое движение уже неудобно описывать, измеряя скорость, перемещение, как мы описывали равномерное и равноускоренное движение. Представьте груз, который колеблется на пружине (см. рис. 12).

Рис. 12. Колеблющийся груз

Нам уже может быть не так интересно, где он находится в каждый момент времени и какова его скорость, она постоянно меняется. Нам важно знать, сколько колебаний он сделает за секунду (эту величину назвали частотой), какое его максимальное отклонение (амплитуда) – мы введем новые величины, которыми будем описывать это движение.

Почему колебания и волны изучаются в одном разделе?

Разберемся, что же в них общего. Проследим за колебаниями, пусть это будет прыгающий вверх-вниз шарик. Он движется вверх, возвращается вниз, и потом через определенное время этот же шарик начинает колебание сначала. А теперь представим ряд таких пронумерованных шариков, по которому бежит волна (см. рис. 13).

Рис. 13. Волна, идущая по ряду пронумерованных шариков

Один шарик поднялся, опустился – и что дальше? Движение повторит соседний шарик. Если смотреть на шарики и не замечать их нумерации, можно не обратить внимания, что это разные шарики совершают цикл движения.

Всё выглядит так же, как будто один шарик совершает колебания. При колебании движение повторяется со временем, а при распространении волны движение повторяется в разных местах.

Это можно описать математически с помощью похожих уравнений, только с разными переменными.

Понятно, что движение не повторяется в точности. Тот же груз на пружине будет со временем всё меньше отклоняться от положения равновесия, колебания будут затухать (см. рис. 14).

Рис. 14. Отклонение груза уменьшается

Но если мы возьмем 3–5 колебаний, они будут почти одинаковыми. Мы не будем присматриваться, на сколько миллиметров уменьшилась амплитуда, нам это не нужно.

И мы спокойно можем считать такие колебания идеальными незатухающими и решать нашу задачу.

Если в другой задаче рассматривать, как колебания груза постепенно прекратились и как на это повлияло трение, пренебречь затуханием будет нельзя, и мы применим другую модель. Чаще всего мы будем использовать модель незатухающих колебаний.

Рассмотрим груз, подвешенный на нити (см. рис. 15).

Рис. 15. Груз на нити

Он колеблется, если его отвести в сторону и отпустить. Грузы бывают разной формы, размера, подвешены на нити или на тросе – как всё это изучать? Мы выделяем, что для нас в них важно – это сосредоточенная почти в одной точке масса, подвешенная на легкой нити. Эту модель и изучаем, ее назвали математический маятник (см. рис. 16).

Рис. 16. Математический маятник

И этой модели все наши грузы приближенно соответствуют – насколько нам нужно.

Вторая модель, которую мы будем подробно изучать, – это пружинный маятник. Это груз, прикрепленный к пружине, второй конец которой закреплен (см. рис. 17).

Рис. 17. Пружинный маятник

Считаем, что положение маятника изменяется со временем по синусоиде (см. рис. 18), такие колебания называются гармоническими.

Рис. 18. Гармонические колебания

Идеальных гармонических колебаний в природе нет, мы уже говорили о затухании, могут быть какие-то внешние толчки, трение. Но такая точность, чтобы всё это учитывать, нам не нужна. Поэтому, решив задачу для идеальной модели, мы можем применить ее, например, для качелей, маятника часов, даже для ног марширующего солдата в тяжелых сапогах.

Если мы сделаем маятник из емкости с песком, из которой он будет высыпаться на движущуюся ленту, мы увидим приблизительно синусоиду из песка – модель работает (см. рис. 19).

Рис. 19. Синусоида из песка

Подробно изучать колебания, записывать для них уравнения и решать задачи мы будем на уроках данного раздела.

Итак, колебаний вокруг много, есть разные типы. Наша задача – выделить модель и посмотреть, насколько точно она описывает реальный процесс. А уже для этой модели решаем задачу и применяем ее результаты.

Мы поговорили о волнах, что это возмущение, движение, которое распространяется. Это возмущение может периодически повторяться. В таком случае будут распространяться колебания (см. рис. 20).

Рис. 20. Повторяющиеся возмущения

Подробнее всего мы будем рассматривать именно этот случай волн. Он часто встречается в природе: волны на воде часто идут одна за другой, повторяются. При распространении звука воздух сжимается тоже периодически, причем этот период определяет то, какую высоту звука мы услышим. Поэтому рассмотрение таких волн тоже полезно для решения многих задач.

Более подробно мы поговорим обо всём этом на уроках данного раздела.

Список литературы

  1. Соколович Ю.А., Богданова Г.С. Физика: Справочник с примерами решения задач. – 2-е изд., передел. – X.: Веста: Издательство «Ранок», 2005. – 464 с.
  2. Перышкин А.В., Гутник Е.М., Физика. 9 кл.: учебник для общеобразоват. учреждений / А.В. Перышкин, Е.М. Гутник. – 14-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2009. – 300 с.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

Домашнее задание

  1. В чем разница между математическим и пружинным маятником?
  2. Дайте определение гармоническим колебаниям.
  3. Что такое возмущение?
  4. Что такое эхо?

Источник: https://interneturok.ru/lesson/physics/9-klass/mehanicheskie-kolebaniya-i-volny/mehanicheskie-kolebaniya-i-volny-zvuk

Booksm
Добавить комментарий