Fale dźwiękowe i elektromagnetyczne - Spotkania z fizyką 8

1.Źródło dźwięku

Drgające ciało, np. struna gitary, gumka recepturka naciągnięta na talerz, szkło kieliszka pocieranego mokrym palcem po brzegu, struny głosowe albo membrana głośnika.

2.Doświadczenie: co jest źródłem dźwięku?

Szarpnięta struna gitary albo gumka recepturka naciągnięta na talerz wydaje dźwięk i widać, że drga. Gdy mokrym palcem pocieramy brzeg kieliszka z wodą, słychać dźwięk, a powierzchnia wody się marszczy - to znak, że drga szkło. Wniosek: źródłem dźwięku jest drgające ciało.

3.Fala dźwiękowa (akustyczna)

Fala mechaniczna, która powstaje, gdy źródło dźwięku wprawia w drgania warstwy cząsteczek otaczającego ośrodka sprężystego (np. powietrza). Drgania są przekazywane kolejnym cząsteczkom, co powoduje chwilowe zagęszczenia i rozrzedzenia ośrodka, które się rozchodzą.

4.Rozchodzenie się dźwięku

Polega na rozprzestrzenianiu się drgań warstw cząsteczek ośrodka (np. powietrza). Cząsteczki drgają w miejscu i przekazują drgania kolejnym warstwom - nie wędrują od źródła do ucha. Gdy mówimy, struny głosowe wprawiają w drgania powietrze, a zagęszczenia i rozrzedzenia docierają do ucha słuchacza.

5.Jak ucho odbiera dźwięk?

Fala dźwiękowa wprawia w drgania błonę bębenkową. Drgania przenoszą kosteczki słuchowe (młoteczek, kowadełko i strzemiączko) do ślimaka, gdzie komórki słuchowe pokryte rzęskami (narząd Cortiego) zamieniają je w impulsy nerwowe. Nerw słuchowy przekazuje tę informację do mózgu.

6.Dźwięk w próżni (doświadczenie)

Dzwoniący budzik umieszczamy pod kloszem pompy próżniowej i wypompowujemy powietrze. Dźwięk cichnie, aż przestaje być słyszalny. Wniosek: dźwięk nie rozchodzi się w próżni, bo nie ma tam cząsteczek, które przekazywałyby energię drgań; w rozrzedzonym powietrzu rozchodzi się słabiej.

7.Prędkość dźwięku w różnych ośrodkach

Dźwięk rozchodzi się w gazach, cieczach i ciałach stałych, a jego prędkość zależy od ośrodka. Na przykład w powietrzu (w temperaturze $15~^{\circ}\mathrm{C}$) wynosi ok. $340~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}$, w wodzie ok. $1450~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}$, w stali ok. $6000~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}$, a w kauczuku tylko ok. $54~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}$.

8.Długość fali dźwiękowej

Odległość między dwoma sąsiednimi zagęszczeniami (albo rozrzedzeniami) ośrodka. Oblicza się ją tak jak dla każdej fali: $\lambda = v \cdot T = \frac{v}{f}$, gdzie w powietrzu $v \approx 340~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}$. Gdy dźwięk przechodzi do innego ośrodka, jego częstotliwość się nie zmienia, a zmieniają się prędkość i długość fali.

9.Wysokość dźwięku a częstotliwość

Wrażenie wysokości dźwięku wiąże się z częstotliwością drgań: im większa częstotliwość, tym dźwięk wyższy, a im mniejsza - tym niższy.

10.Głośność dźwięku a amplituda

Wrażenie głośności dźwięku wiąże się z amplitudą drgań: im większa amplituda, tym głośniejszy dźwięk. Większa amplituda oznacza też większą energię i większe natężenie fali.

11.Wysokość i głośność dźwięku - doświadczenie z linijką

Linijkę dociskamy do stołu tak, by jej część wystawała poza krawędź, i wprawiamy ją w drgania. Gdy zmieniamy długość wystającej części, zmienia się wysokość dźwięku, a gdy mocniej wychylamy linijkę, dźwięk jest głośniejszy. Tak samo dociskanie struny gitary na różnych progach zmienia wysokość dźwięku, a mocniejsze szarpnięcie - jego głośność. Wniosek: wysokość dźwięku zależy od częstotliwości drgań (zmienia ją długość drgającej części), a głośność - od amplitudy drgań.

12.Jak długość struny wpływa na wysokość dźwięku?

Częstotliwość drgań własnych struny (albo linijki) zależy od długości drgającej części: im krótsza struna, tym większa częstotliwość i wyższy dźwięk. Dlatego dociskając strunę gitary na progu, skracamy jej drgającą część i uzyskujemy wyższy dźwięk.

13.Energia fali

Suma energii potencjalnej sprężystości i energii kinetycznej drgającego ośrodka. Zależy od amplitudy drgań: im większa amplituda, tym większa energia fali. Ponieważ głośność też zależy od amplitudy, bardzo głośny dźwięk przenosi dużo energii i może nawet uszkodzić przedmioty, np. wybić szyby.

14.Co drga w instrumentach muzycznych?

W bębnie drga napięta membrana, we flecie i w organach - słup powietrza (w organach w piszczałkach różnej długości), a w fortepianie i gitarze - struny: w fortepianie uderzane młoteczkami, w gitarze szarpane. Drgania struny gitary wprawiają w drgania powietrze w pudle rezonansowym.

15.Natężenie fali

Wielkość, która opisuje, jaka energia jest przenoszona przez jednostkową powierzchnię w jednostce czasu. Im dalej od źródła, tym mniejsze natężenie i cichszy dźwięk, bo energia fali rozkłada się na coraz większą powierzchnię.

16.Powierzchnia falowa

Powierzchnia, na którą rozkłada się energia fali; jest zawsze prostopadła do kierunku przemieszczania się fali. Dźwięk rozchodzi się kuliście, więc jego powierzchnie falowe to kule wokół źródła - tym większe, im dalej od źródła. Dla fal na wodzie tę rolę pełnią rosnące okręgi.

17.Oscylogram

Wykres dźwięku: mikrofon zamienia drgania powietrza na napięcie elektryczne, a oscyloskop albo komputer z odpowiednim programem pokazuje je na ekranie. Porównując oscylogramy, widać, że im głośniejszy dźwięk, tym większa amplituda przebiegu, a im wyższy dźwięk, tym gęściej powtarzają się drgania (większa częstotliwość). Z oscylogramu można odczytać okres $T$ (czas jednego powtórzenia przebiegu) i obliczyć częstotliwość $f = \frac{1}{T}$.

18.Zakres dźwięków słyszalnych dla człowieka

Ucho ludzkie rejestruje dźwięki o częstotliwości od około $16~\mathrm{Hz}$ do około $20\,000~\mathrm{Hz}$ - są to dźwięki słyszalne. Skrajne częstotliwości słyszą tylko niektóre osoby, a przeciętny dorosły człowiek nie słyszy dźwięków powyżej $15\,000~\mathrm{Hz}$.

19.Infradźwięki

Dźwięki o częstotliwości niższej od $16~\mathrm{Hz}$ - człowiek ich nie słyszy. Ich źródłami są m.in. trzęsienia ziemi, wybuchy wulkanów, wyładowania atmosferyczne i wichury, a także samoloty i elektrownie wiatrowe. Infradźwięki o dużym natężeniu mogą wprawić w drgania konstrukcje budynków. Za ich pomocą porozumiewają się słonie.

20.Ultradźwięki

Dźwięki o częstotliwości wyższej od $20\,000~\mathrm{Hz}$ - człowiek ich nie słyszy. Wykorzystuje się je m.in. w medycynie do badań ultrasonograficznych (USG, fale o częstotliwości od $2~\mathrm{MHz}$ do $50~\mathrm{MHz}$), w urządzeniach echolokacyjnych (sonarach) i w defektoskopii. Ultradźwięki wydają m.in. nietoperze i delfiny.

21.Echolokacja

Orientacja w przestrzeni za pomocą fal dźwiękowych: wysyła się ultradźwięki i odbiera falę odbitą od przeszkody. Znając prędkość dźwięku w danym ośrodku i mierząc czas powrotu fali, określa się odległość od przeszkody. Korzystają z niej nietoperze, delfiny i wieloryby, a echosondy (sonary) wykrywają ławice ryb, mierzą głębokość wody i badają dno morskie.

22.Echo - obliczanie odległości i prędkości dźwięku

Dźwięk biegnie do przeszkody i wraca, więc w czasie $t$ przebywa drogę $s = v \cdot t$, równą podwojonej odległości od przeszkody: $d = \frac{v \cdot t}{2}$. Tak samo, znając odległość $d$ od przeszkody i zmierzony czas $t$, wyznacza się prędkość dźwięku: $v = \frac{2d}{t}$.

23.Defektoskopia ultradźwiękowa

Metoda badania ciał stałych za pomocą fali dźwiękowej. Urządzenia echolokacyjne pozwalają wykryć wady i pęknięcia w metalowych elementach konstrukcyjnych.

24.Hałas

Zbyt głośne, nieprzyjemne i drażniące dźwięki. Długotrwały hałas jest szkodliwy dla zdrowia: może powodować upośledzenie słuchu, uszkodzenia układu nerwowego, stres, nerwowość, zaburzenia krążenia i trawienia, zmęczenie oraz bezsenność. Najbardziej szkodzą zbyt głośna muzyka w słuchawkach dousznych, częste dyskoteki i stały hałas w miejscu pracy.

25.Ochrona przed hałasem

Polega głównie na eliminowaniu źródeł hałasu albo odizolowaniu ludzi od dźwięków uciążliwych i szkodliwych: stawia się ekrany dźwiękochłonne, konstruuje ciszej pracujące urządzenia, a urządzenia hałaśliwe obudowuje materiałami dźwiękochłonnymi. Warto też nie słuchać zbyt głośnej muzyki przez słuchawki douszne - niszczy ona rzęski komórek słuchowych.

26.Powstawanie fali elektromagnetycznej

Gdy ładunek elektryczny porusza się w sposób zmienny albo zmienia się natężenie prądu, zmiany oddziaływań elektrycznych i magnetycznych rozchodzą się w otoczeniu; jeśli są okresowe - w postaci fali elektromagnetycznej. Jej źródłem są drgające ładunki elektryczne oraz prąd o natężeniu zmieniającym się w czasie.

27.Porównanie fal mechanicznych i elektromagnetycznych

Podobieństwa: oba rodzaje fal powstają dzięki drganiom i przenoszą energię. Różnica: fale mechaniczne (np. dźwięk) potrzebują ośrodka i nie rozchodzą się w próżni, a fale elektromagnetyczne rozchodzą się w każdym ośrodku, także w próżni.

28.Ile wynosi prędkość fal elektromagnetycznych?

W próżni około $300\,000~\frac{\mathrm{km}}{\mathrm{s}}$, czyli $3 \cdot 10^8~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}$. W ciągu sekundy fala elektromagnetyczna dobiegłaby z Ziemi w pobliże Księżyca, dlatego jej rozchodzenie się wydaje się natychmiastowe, choć w rzeczywistości takie nie jest.

29.Długość fali elektromagnetycznej

Oblicza się ją tak jak długość fali mechanicznej: $\lambda = \frac{v}{f} = v \cdot T$, gdzie w próżni $v = 3 \cdot 10^8~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}$. Przed podstawieniem zamieniamy jednostki, np. $1~\mathrm{MHz} = 10^6~\mathrm{Hz}$. Im większa częstotliwość fali, tym mniejsza jej długość.

30.Antena nadawcza i antena odbiorcza

W antenie nadawczej elektrony poruszają się tam i z powrotem, tworząc prąd zmienny, który wytwarza falę elektromagnetyczną. Fala dociera do anteny odbiorczej i wzbudza w niej prąd o takiej samej częstotliwości. Informacje (muzykę, obraz, wiadomości) koduje się zmianami amplitudy albo częstotliwości, a nadajnik i odbiornik muszą pracować w tym samym zakresie częstotliwości.

31.Radiolokacja i radar

Radiolokacja to wykrywanie i śledzenie obiektów oraz ustalanie ich położenia. Wykorzystuje prostoliniowe rozchodzenie się fal ultrakrótkich i ich odbicie od przeszkód. Radar ma nadajnik i odbiornik: wysyła falę elektromagnetyczną, odbiera jej część odbitą od przeszkody i z czasu między wysłaniem a odbiorem wyznacza odległość.

32.Rodzaje fal elektromagnetycznych - widmo

Widmo fal elektromagnetycznych to przegląd fal o różnych długościach i częstotliwościach. Od najdłuższych fal (o najmniejszej częstotliwości): fale radiowe, mikrofale, promieniowanie podczerwone, światło widzialne, promieniowanie nadfioletowe, promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie gamma. Wszystkie mają taką samą naturę, a ich właściwości zależą jedynie od długości fali.

33.Promieniowanie gamma

Fale elektromagnetyczne o najkrótszej długości (poniżej $1~\mathrm{nm}$), wysyłane przez substancje promieniotwórcze. Są bardzo niebezpieczne dla organizmów - przenikają nawet przez trzymetrową warstwę betonu i mogą wywołać nowotwory. W odpowiednich dawkach służą do sterylizacji narzędzi chirurgicznych, naświetlania żywności i leczenia nowotworów (radioterapia).

34.Promieniowanie rentgenowskie (X)

Niewidzialne fale elektromagnetyczne, które przenikają przez wiele materiałów nieprzezroczystych dla światła (np. tkanki mięśniowe), a częściowo pochłaniają je substancje o dużej gęstości, np. wapń i ołów. Dlatego służą do prześwietleń kości, a osłony przed nimi robi się z ołowiu. Zbyt duże lub zbyt częste dawki mogą wywołać choroby krwi i nowotwory.

35.Promieniowanie nadfioletowe (ultrafioletowe)

Promieniowanie o falach krótszych od fal światła fioletowego, niewidoczne dla oka. Jego głównym źródłem jest Słońce, wysyłają je też lampy kwarcowe w solariach. Opala skórę i pobudza wytwarzanie witaminy D, ale długie opalanie grozi poparzeniami i rakiem skóry. Częściowo przenika przez chmury, nie przenika przez szyby. Zabija bakterie (sterylizacja sal operacyjnych) i pomaga sprawdzać autentyczność dokumentów i banknotów.

36.Światło widzialne

Fale elektromagnetyczne o długości od ok. $380~\mathrm{nm}$ do ok. $780~\mathrm{nm}$ - bardzo mała część widma, jedyna odbierana przez oko. Głównym źródłem jest Słońce. Światło białe to mieszanina barw: światło fioletowe ma największą częstotliwość (najmniejszą długość fali), a czerwone - najmniejszą częstotliwość (największą długość fali).

37.Promieniowanie podczerwone (podczerwień)

Fale dłuższe od fal światła czerwonego - niewidoczne, ale odczuwalne, bo rozgrzewają materiały (np. ciepło przy otwartym piekarniku). Wysyłają je wszystkie ciała, a ich intensywność zależy od temperatury ciała. Wykorzystuje się je w alarmach i czujnikach ruchu, kamerach termowizyjnych, noktowizji i pilotach do telewizorów. Tradycyjna żarówka wysyła głównie podczerwień.

38.Mikrofale

Fale elektromagnetyczne krótsze od fal radiowych, a dłuższe od promieniowania podczerwonego. Wykorzystuje się je m.in. w radarach, kuchenkach mikrofalowych i telefonii komórkowej.

39.Fale radiowe i ich zastosowania

Najdłuższe fale elektromagnetyczne; wyróżnia się fale długie, średnie, krótkie i ultrakrótkie. Wysyłają je Słońce i inne gwiazdy, można je też wytwarzać sztucznie. Służą głównie do łączności i telekomunikacji (radio, telewizja). Długie fale wnikają w głąb wody i ziemi, dlatego służą do łączności z załogami łodzi podwodnych i pracownikami kopalń.