Fale dźwiękowe – test i pytania, fizyka klasa 8

Dźwięk to fala mechaniczna podłużna wywołana drganiami ciała, która rozchodzi się w powietrzu, cieczach i ciałach stałych. Ucho ludzkie odbiera tylko ograniczony zakres częstotliwości tych drgań.

Najważniejsze w 30 sekund

• Dźwięk powstaje dzięki drganiom źródła, np. struny, membrany głośnika czy strun głosowych.
• Człowiek słyszy dźwięki o częstotliwości od ok. 20 Hz do 20 000 Hz.
• Dźwięki poniżej 20 Hz to infradźwięki, powyżej 20 000 Hz to ultradźwięki.
• Prędkość dźwięku w powietrzu w temperaturze pokojowej wynosi ok. 340 m/s.
• Dźwięk nie rozchodzi się w próżni, bo jest falą mechaniczną.

Powstawanie dźwięku

Dźwięk powstaje w wyniku drgań ciała, które nazywamy źródłem dźwięku, na przykład struny gitary, membrany głośnika, strun głosowych człowieka czy kamertonu. Drgające źródło pobudza do drgań cząsteczki otaczającego powietrza, tworząc falę dźwiękową rozchodzącą się we wszystkich kierunkach.

Fala dźwiękowa jest falą podłużną, czyli cząsteczki powietrza drgają wzdłuż kierunku jej rozchodzenia się, tworząc na przemian obszary zgęszczenia i rozrzedzenia powietrza. Te zmiany ciśnienia docierają do ucha i są odbierane jako dźwięk.

Zakres słyszalności i rodzaje fal dźwiękowych

Ucho człowieka odbiera drgania o częstotliwościach w przedziale od około 20 Hz do 20 000 Hz, nazywanym zakresem słyszalności. Wraz z wiekiem górna granica słyszalności zwykle się obniża, dlatego osoby starsze gorzej słyszą bardzo wysokie dźwięki.

Dźwięki o częstotliwości poniżej 20 Hz nazywamy infradźwiękami, a powyżej 20 000 Hz ultradźwiękami - oba rodzaje są niesłyszalne dla człowieka. Ultradźwięki wykorzystuje się na przykład w badaniach USG oraz w echolokacji nietoperzy.

Rozchodzenie się dźwięku w różnych ośrodkach

Prędkość dźwięku zależy od rodzaju i temperatury ośrodka - w powietrzu w temperaturze pokojowej wynosi około 340 metrów na sekundę. W wodzie dźwięk rozchodzi się znacznie szybciej, bo osiąga prędkość około 1500 metrów na sekundę, a w stalowej szynie jeszcze szybciej.

Im ośrodek jest gęstszy i bardziej sprężysty, tym szybciej cząsteczki przekazują sobie drgania, dlatego dźwięk w ciałach stałych rozchodzi się szybciej niż w cieczach, a w cieczach szybciej niż w gazach. Dźwięk nie rozchodzi się w próżni, ponieważ brakuje tam cząsteczek materii.

Echo i pochłanianie dźwięku

Echo powstaje, gdy fala dźwiękowa odbija się od przeszkody, na przykład ściany lub skały, i wraca do źródła z opóźnieniem, które jest odbierane przez ucho jako osobny dźwięk. Aby usłyszeć echo, odległość od przeszkody musi być odpowiednio duża.

Niektóre materiały, jak miękkie tkaniny, gąbka czy wełna mineralna, dobrze pochłaniają dźwięk, dlatego stosuje się je do wyciszania pomieszczeń, natomiast twarde i gładkie powierzchnie, jak beton czy szkło, dobrze odbijają fale dźwiękowe.

Co trzeba umieć

• Wyjaśnić, jak powstaje fala dźwiękowa.
• Podać zakres częstotliwości słyszalnych dla człowieka.
• Odróżnić infradźwięki od ultradźwięków.
• Podać przybliżoną prędkość dźwięku w powietrzu i w wodzie.
• Wyjaśnić powstawanie echa.

Typowe błędy

1. Mylenie prędkości dźwięku w powietrzu z prędkością światła.
2. Twierdzenie, że dźwięk rozchodzi się szybciej w gazach niż w ciałach stałych.
3. Mylenie infradźwięków z ultradźwiękami.
4. Przekonanie, że dźwięk może się rozchodzić w próżni kosmicznej.

Krótkie pytania i odpowiedzi

Dlaczego starsze osoby często gorzej słyszą wysokie dźwięki?

Z wiekiem komórki słuchowe w uchu wewnętrznym tracą wrażliwość na wysokie częstotliwości, dlatego górna granica słyszalności stopniowo się obniża.

Jak nietoperze wykorzystują ultradźwięki?

Nietoperze wydają ultradźwięki i nasłuchują ich echa odbitego od przeszkód i zdobyczy, co pozwala im orientować się w przestrzeni nawet w całkowitej ciemności.

Dlaczego w kosmosie astronauci nie słyszą eksplozji statku kosmicznego z zewnątrz?

W próżni kosmicznej brakuje cząsteczek materii, więc fala dźwiękowa nie może się rozchodzić i dźwięk eksplozji nie dotrze do żadnego obserwatora na zewnątrz.

Dlaczego pod wodą dźwięki docierają szybciej niż w powietrzu?

Woda jest gęstszym i bardziej sprężystym ośrodkiem niż powietrze, więc cząsteczki szybciej przekazują sobie drgania, co zwiększa prędkość dźwięku.

Jak działa tłumienie dźwięku w studiu nagraniowym?

Ściany studia pokrywa się materiałami porowatymi, które pochłaniają energię fal dźwiękowych zamiast je odbijać, dzięki czemu zmniejsza się pogłos i echo.

FAQ

Czy człowiek może usłyszeć infradźwięki wydawane przez słonie?

Nie bezpośrednio jako dźwięk, ale czasem odczuwamy je jako wibracje, ponieważ słonie komunikują się infradźwiękami poniżej dolnej granicy ludzkiego słuchu.

Dlaczego grzmot słyszymy później niż widzimy błyskawicę?

Światło rozchodzi się niemal natychmiastowo, natomiast dźwięk porusza się znacznie wolniej, z prędkością około 340 m/s, dlatego grzmot dociera z opóźnieniem.

Czy dźwięk może zmieniać prędkość w zależności od temperatury powietrza?

Tak, w cieplejszym powietrzu cząsteczki poruszają się szybciej i prędkość dźwięku jest nieco większa niż w powietrzu zimnym.

Dlaczego w pustym pomieszczeniu słychać więcej echa niż w umeblowanym?

Puste, twarde ściany dobrze odbijają fale dźwiękowe, a meble i tkaniny pochłaniają część energii dźwięku, zmniejszając efekt echa i pogłosu.

Stwórz własny test · Zrób fiszki

Poprzednia lekcja: Fale mechaniczne Następna lekcja: Wysokość i głośność dźwięku

Cały dział: Drgania i fale

• Wysokość i głośność dźwięku
• Fale elektromagnetyczne
• Ruch drgający
• Wykres ruchu drgającego. Przemiany energii
• Fale mechaniczne