Механические колебания частота которых меньше 20 гц. Звуковые колебания и волны

Вокруг нас очень много источников звука: музыкальные и технические инструменты, голосовые связки человека, морские волны, ветер и другие. Звук или, иначе, звуковые волны – это механические колебания среды с частотами 16 Гц – 20 кГц (см. § 11-а).

Рассмотрим опыт. Поместив будильник на подушечке под колокол воздушного насоса, мы заметим: тиканье станет тише, но всё равно будет слышно. Откачав из-под колокола воздух, мы перестанем слышать звук вообще. Этот опыт подтверждает, что звук распространяется по воздуху и не распространяется в вакууме.

Скорость звука в воздухе сравнительно велика: лежит в интервале от 300 м/с при –50°С до 360 м/с при +50°С. Это в 1,5 раза больше, чем скорость пассажирских самолётов. В жидкостях звук распространяется заметно быстрее, а в твёрдых телах – ещё быстрее. В стальном рельсе, например, скорость звука » 5000 м/с.

Взгляните на графики колебаний давления воздуха у рта человека, поющего звуки «А» и «О». Как видите, колебания являются сложными, состоящими из нескольких колебаний, накладывающихся друг на друга. При этом чётко видны основные колебания, частота которых почти не зависит от произносимого звука. Для мужского голоса это приблизительно 200 Гц, для женского – 300 Гц.

l max = 360 м/с: 200 Гц » 2 м, l min = 300 м/с: 300 Гц » 1 м.

Итак, длина звуковой волны голоса зависит от температуры воздуха и основной частоты голоса. Вспомнив наши знания о дифракции, мы поймём, почему в лесу слышно голоса людей, даже если их загораживают деревья: звуки с длинами волн 1–2 м легко огибают стволы деревьев, диаметр которых меньше метра.

Проделаем опыт, подтверждающий, что источниками звука действительно являются колеблющиеся тела.

Возьмём прибор камертон – металлическую рогатку, укреплённую на ящичке без передней стенки для лучшего излучения звуковых волн. Если ударить молоточком по концам рогатки камертона, он будет издавать «чистый» звук, называемый музыкальным тоном (например, ноту «ля» первой октавы с частотой 440 Гц). Придвинем звучащий камертон к лёгкому шарику на нити, и он тотчас же отскочит в сторону. Так происходит именно из-за частых колебаний концов рогатки камертона.

Причины, от которых зависит частота колебаний тела, – его упругость и размер. Чем больше размер тела, тем меньше частота. Поэтому, например, слоны с большими голосовыми связками испускают звуки низкой частоты (бас), а мыши, размер голосовых связок которых значительно меньше, – высокочастотные звуки (писк).

От упругости и размеров зависит не только как будет звучать тело, но и как оно будет улавливать звуки – откликаться на них. Явление резкого увеличения амплитуды колебаний при совпадении частоты внешнего воздействия с собственной частотой тела называется резонансом (лат. «резоно» – откликаюсь). Проделаем опыт по наблюдению резонанса.

Расположим два одинаковых камертона рядом, повернув их друг к другу теми сторонами ящичков, где нет стенок. Ударим левый камертон молоточком. Через секунду заглушим его рукой. Мы услышим, что звучит второй камертон, который мы не ударяли. Говорят, что правый камертон резонирует, то есть улавливает энергию звуковых волн от левого камертона, в результате чего увеличивает амплитуду собственных колебаний.

Колебания – это движения или процессы, которые характеризуются определенной повторяемостью во времени.

Период колебаний T – интервал времени, в течение которого происходит одно полное колебание.

Частота колебаний – число полных колебаний в единицу времени. В системе СИ выражается в герцах (Гц).

Период и частота колебаний связаны соотношением

Гармонические колебания – это колебания, при которых колеблющаяся величина изменяется по закону синуса или косинуса. Смещение определяется формулой

Амплитуда (а), период (b) и фаза колебаний (с) двух колеблющихся тел

Механические волны

Волнами называют периодические возмущения, распространяющиеся в пространстве с течением времени. Волны делятся на продольные и поперечные .

Упругие волны в воздухе, вызывающие у человека слуховые ощущения, называются звуковыми волнами или просто звуком. Диапазон звуковых частот лежит в пределах от 20 Гц до 20 кГц. Волны с частотой менее 20 Гц называются инфразвуком, с частотой более 20 кГц – ультразвуком. Наличие какой-либо упругой среды для передачи звука обязательно.

Громкость звука определяется интенсивностью звуковой волны, то есть энергией, переносимой волной в единицу времени.

Звуковое давление зависит от амплитуды колебаний давления в звуковой волне.

Высота звука (тона) определяется частотой колебаний. Диапазон низкого мужского голоса (баса) – приблизительно от 80 до 400 Гц. Диапазон высокого женского голоса (сопрано) – от 250 до 1050 Гц.

Звуковая волна (звуковые колебания) — это передающиеся в пространстве механические колебания молекул вещества (например, воздуха).

Но далеко не всякое колеблющееся тело является источником звука. Например, не издает звука колеблющийся грузик, подвешенный на нити или пружине. Перестанет звучать и металлическая линейка, если переместить ее в тисках вверх и тем самым удлинить свободный конец настолько, чтобы частота его колебаний стала меньше 20 Гц. Исследования показали, что человеческое ухо способно воспри¬нимать как звук механические колебания тел, происходящие с час¬тотой от 20 Гц до 20000 Гц. Поэтому колебания, частоты которых находятся в этом диапазоне, называются звуковыми. Механические колебания, частота которых превышает 20 000 Гц, называются ультразвуковыми, а колебания с частотами менее 20 Гц — инфразвуковыми. Следует отметить, что указанные границы звукового диапазона условны, так как зависят от возраста людей и индивидуальных особенностей их слухового аппарата. Обычно с возрастом верхняя частотная граница воспринимаемых звуков значительно понижается — некоторые пожилые люди могут слышать звуки с частотами, не превышающими 6000 Гц. Дети же, наоборот, могут воспринимать звуки, частота которых несколько больше 20000 Гц. Колебания, частоты которых больше 20 000 Гц или меньше 20 Гц, слышат некоторые животные. Мир наполнен самыми разнообразными звуками: тиканье часов и гул моторов, шелест листьев и завывание ветра, пение птиц и голоса людей. О том, как рождаются звуки, и что они собой представляют, люди начали догадываться очень давно. Замечали, к примеру, что звук создают вибрирующие в воздухе тела. Еще древнегреческий философ и ученый-энциклопедист Аристотель, исходя из наблюдений, верно объяснял природу звука, полагая, что звучащее тело создает попеременное сжатие и разрежение воздуха. Так, колеблющаяся струна то уплотняет, то разрежает воздух, а благодаря упругости воздуха эти чередующиеся воздействия передаются дальше в пространство — от слоя к слою, возникают упругие волны. Достигая нашего уха, они воздействуют на барабанные перепонки и вызывают ощущение звука. На слух человек воспринимает упругие волны, имеющие частоту в пределах примерно от 16 Гц до 20 кГц (1 Гц — 1 колебание в секунду). В соответствии с этим упругие волны в любой среде, частоты которых лежат в указанных пределах, называют звуковыми волнами или просто звуком. В воздухе при температуре 0° С и нормальном давлении звук распространяется со скоростью 330 м/с, в морской воде — около 1500 м/с, в некоторых металлах скорость звука достигает 7000 м/с. Упругие волны с частотой меньше 16 Гц называют инфразвуком, а волны, частота которых превышает 20 кГц, — ультразвуком.

Источником звука в газах и жидкостях могут быть не только вибрирующие тела. Например, свистят в полете пуля и стрела, завывает ветер. И рев турбореактивного самолета складывается не только из шума работающих агрегатов — вентилятора, компрессора, турбины, камеры сгорания и т. д., но также из шума реактивной струи, вихревых, турбулентных потоков воздуха, возникающих при обтекании самолета на больших скоростях. Стремительно несущееся в воздухе или в воде тело как бы разрывает обтекающий его поток, периодически порождает в среде области разрежения и сжатия. В результате возникают звуковые волны. Звук может распространяться в виде продольных и поперечных волн. В газообразной и жидкой среде возникают только продольные волны, когда колебательное движение частиц происходит лишь в том направлении, в каком распространяется волна. В твердых телах помимо продольных возникают также и поперечные волны, когда частицы среды колеблются в направлениях, перпендикулярны к направлению распространения волны. Там ударяя по струне перпендикулярно ее направлению, мы заставляем бежать волну вдоль струны. Человеческое ухо неодинаково восприимчиво к звукам разной частоты. Наиболее чувствительно оно к частотам от 1000 до 4000 Гц. При очень большой интенсивности волны перестают восприниматься как звук, вызывая в ушах ощущение давящей боли. Величину интенсивности звуковых волн, при которой это происходит, называют порогом болевого ощущения. Важны в учении о звуке также понятия тона и тембра звука. Всякий реальный звук, будь то голос человека или игра музыкального инструмента, — это не простое гармоническое колебание, а своеобразная смесь многих гармонических колебаний с определенным набором частот. То из них, которое имеет наиболее низкую частоту, называют основным тоном, другие — обертонами. Разное количество обертонов, присущих тому или иному звуку, придает ему особую окраску — тембр. Отличие одного тембра от другого обусловлено не только числом, но и интенсивностью обертонов, сопровождающих звучание основного тона. По тембру мы легко отличаем звуки скрипки и рояля, гитары и флейты, узнаем голоса знакомых людей.

• Частотой колебаний называют количество полных колебаний в секунду. За единицу измерения частоты принят 1 герц (Гц). 1 герц соответствует одному полному (в одну и другую сторону) колебанию, происходящему за одну секунду.
• Периодом называют время (с), в течение которого происходит одно полное колебание. Чем больше частота колебаний, тем меньше их период, т.е. f=1/T. Таким образом, частота колебаний тем больше, чем меньше их период, и наоборот. Голос человека создает звуковые колебания частотой от 80 до 12000 Гц, а слух воспринимает звуковые колебания в диапазоне 16-20000 Гц.
• Амплитудой колебаний называют наибольшее отклонение колеблющегося тела от его первоначального (спокойного) положения. Чем больше амплитуда колебания, тем громче звук. Звуки человеческой речи представляют собой сложные звуковые колебания, состоящие из того или иного количества простых колебаний, различных по частоте и амплитуде. В каждом звуке речи имеется только ему свойственное сочетание колебаний различной частоты и амплитуды. Поэтому форма колебаний одного звука речи заметно отличается от формы другого, на котором изображены графики колебаний при произношении звуков а, о и у.

Любые звуки человек характеризует в соответствии со своим восприятием по уровню громкости и высоте.

Тест по физике Механические колебания и волны Звук для учащихся 9 класса с ответами. Тест включает в себя 2 варианта, в каждом по 12 заданий.

1 вариант

1. При свободных колебаниях шар на нити проходит путь от крайнего левого положения до крайнего правого за 0,1 с. Определите период колебаний шара.

1) 0,1 с
2) 0,2 с
3) 0,3 с
4) 0,4 с

2. На рисунке представлена зависимость координаты центра шара, подвешенного на пружине, от времени. Частота колебаний равна

1) 0,25 Гц
2) 0,5 Гц
3) 2 Гц
4) 4 Гц

3. Сколько полных колебаний совершит материальная точка за 10 с, если частота колебаний 220 Гц?

1) 22
2) 88
3) 440
4) 2200

4. В каких направлениях совершаются колебания в продоль­ной волне?

1) Во всех направлениях

5. Расстояние между ближайшими гребнями волн в море 6 м. Каков период ударов волн о корпус лодки, если их скорость 3 м/с?

1) 0,5 с
2) 2 с
3) 12 с
4) 32 с

6. Человек услышал звук грома через 10 с после вспышки молнии. Определите скорость звука в воздухе, если молния ударила на расстоянии 3,3 км от наблюдателя.

1) 0,33 м/с
2) 33 м/с
3) 330 м/с
4) 33 км/с

7. В какой среде звуковые волны распространяются с мини­мальной скоростью?

1) В твердых телах
2) В жидкостях
3) В газах
4) Везде одинаково

8. Как называются механические колебания, частота которых меньше 20 Гц?

1) Звуковые
2) Ультразвуковые
3) Инфразвуковые

9. Определите длину звуковой волны в воздухе, если частота колебаний источника звука 200 Гц. Скорость звука в возду­хе составляет 340 м/с.

1) 1,7 м
2) 0,59 м
3) 540 м
4) 68 000 м

10. Как изменится длина звуковой волны при уменьшении ча­стоты колебаний ее источника в 2 раза?

1) Увеличится в 2 раза
2) Уменьшится в 2 раза
3) Не изменится
4) Уменьшится в 4 раза

11. Верхняя граница частоты колебаний, воспринимаемая ухом человека, составляет для детей 22 кГц, а для пожилых лю­дей 10 кГц. В воздухе скорость звука равна 340 м/с. Звук с длиной волны 20 мм

1) услышит только ребенок
2) услышит только пожилой человек
3) услышит и ребенок, и пожилой человек
4) не услышит ни ребенок, ни пожилой человек

12. Эхо, вызванное оружейным выстрелом, дошло до стрелка через 2 с после выстрела. Определите расстояние до прегра­ды, от которой произошло отражение, если скорость звука в воздухе 340 м/с.

1) 170 м
2) 340 м
3) 680 м
4) 1360 м

2 вариант

1. При свободных колебаниях шар на нити проходит путь от крайнего левого положения до положения равновесия за 0,2 с. Каков период колебаний шара?

1) 0,2 с
2) 0,4 с
3) 0,6 с
4) 0,8 с

2. На рисунке представлена зависи­мость координаты центра шара, подвешенного на пружине, от времени. Амплитуда колебаний равна

1) 10 см
2) 20 см
3) -10 см
2) -20 см

3. При измерении пульса человека было зафиксировано 150 пульсаций крови за 2 мин. Определите частоту сокра­щения сердечной мышцы.

1) 0,8 Гц
2) 1 Гц
3) 1,25 Гц
4) 75 Гц

4. В каких направлениях совершаются колебания в попереч­ной волне?

1) Во всех направлениях
2) Вдоль направления распространения волны
3) Перпендикулярно направлению распространения волны
4) И по направлению распространения волны, и перпенди­кулярно распространению волны

5. Волна с частотой 4 Гц распространяется по шнуру со скоро­стью 6 м/с. Длина волны равна

1) 0,75 м
2) 1,5 м
3) 24 м
4) для решения не хватает данных

6. Как изменится длина волны при уменьшении частоты коле­баний ее источника в 2 раза?

1) Увеличится в 2 раза
2) Уменьшится в 2 раза
3) Не изменится
4) Уменьшится в 4 раза

7. В какой среде звуковые волны не распространяются?

1) В твердых телах
2) В жидкостях
3) В газах
4) В вакууме

8. Как называются механические колебания, частота которых превышает 20 000 Гц?

1) Звуковые
2) Ультразвуковые
3) Инфразвуковые
4) Среди ответов нет правильного

9. Камертон излучает звуковую волну длиной 0,5 м. Скорость звука 340 м/с. Какова частота колебаний камертона?

1) 17 Гц
2) 680 Гц
3) 170 Гц
4) 3400 Гц

10. Человеческое ухо может воспринимать звуки частотой от 20 Гц до 20 000 Гц. Какой диапазон длин волн соответству­ет интервалу слышимости звуковых колебаний? Скорость звука в воздухе примите равной 340 м/с.

1) От 20 м до 20 000 м
2) От 6800 м до 6 800 000 м
3) От 0,06 м до 58,8 м
4) От 0,017 м до 17 м

11. Какие изменения отмечает человек в звуке при увеличении амплитуды колебаний в звуковой волне?

1) Повышение высоты тона
2) Понижение высоты тона
3) Повышение громкости
4) Уменьшение громкости

12. На каком расстоянии от корабля находится айсберг, если посланный гидролокатором ультразвуковой сигнал был принят обратно через 4 с? Скорость ультразвука в воде при­нять равной 1500 м/с.

1) 375 м
2) 750 с
3) 3000 м
4) 6000 м

Ответы на тест по физике Механические колебания и волны Звук
1 вариант
1-2
2-1
3-4
4-2
5-2
6-3
7-3
8-3
9-1
10-1
11-1
12-2
2 вариант
1-4
2-1
3-3
4-3
5-2
6-1
7-4
8-2
9-2
10-4
11-3
12-3

(лат. amplitude — величина) — это наибольшее отклонение колеблющегося тела от положения равновесия.

Для маятника это максимальное расстояние, на которое удаляется ша-рик от своего положения равновесия (рисунок ниже). Для колебаний с малыми амплитудами за такое расстояние можно принимать как длину дуги 01 или 02, так и длины этих отрезков.

Амплитуда колебаний измеряется в единицах длины — метрах , санти-метрах и т. д. На графике колебаний амплитуда определяется как макси-мальная (по модулю) ордината синусоидальной кривой, (см. рис. ниже).

Период колебаний.

Период колебаний — это наименьший промежуток времени, через который система, соверша-ющая колебания, снова возвращается в то же состояние, в котором она находилась в начальный момент времени, выбранный произвольно.

Другими словами, период колебаний (Т ) — это время, за которое совершается одно полное ко-лебание. Например, на рисунке ниже это время, за которое грузик маятника перемещается из крайней правой точки через точку равновесия О в крайнюю левую точку и обратно через точку О снова в крайнюю правую.

За полный период колебаний, таким образом, тело проходит путь, равный четы-рем амплитудам. Период колебаний измеряется в единицах времени — секундах , минутах и т. д. Период колебаний может быть определен по известному графику колебаний, (см. рис. ниже).

Понятие «период колебаний», строго говоря, справедливо, лишь когда значения колеблющей-ся величины точно повторяются через определенный промежуток времени, т. е. для гармоничес-ких колебаний. Однако это понятие применяется также и для случаев приблизительно повторяю-щихся величин, например, для затухающих колебаний .

Частота колебаний.

Частота колебаний — это число колебаний, совершаемых за единицу времени, например, за 1 с .

Единица частоты в СИ названа герцем (Гц ) в честь немецкого физика Г. Герца (1857-1894). Если частота колебаний (v ) равна 1 Гц , то это значит, что за каждую секунду совершается одно колебание. Частота и период колебаний связаны соотношениями:

В теории колебаний пользуются также понятием циклической , или круговой частоты ω . Она связана с обычной частотой v и периодом колебаний Т соотношениями:

.

Циклическая частота — это число колебаний, совершаемых за 2π секунд.