Урок: Коливання і хвилі

 

 

 

 

 

 

МЕТОДИЧНА РОЗРОБКА З ФІЗИКИ

Поширення механічних коливань у пружному середовищі. Поперечні та поздовжні хвилі. Довжина хвилі. Звукові хвилі.

 

 

 

 

Підготував: Пестременко О.О.

Викладач фізики

 

 

 

 

 

 

Тема: Поширення механічних коливань у пружному середовищі. Поперечні та поздовжні хвилі. Довжина хвилі. Звукові хвилі.

Мета: навчальна: ознайомлення з поширенням механічних коливань у пружному середовищі – хвилями; видами хвиль: сферичні та плоскі, поздовжні та поперечні; їх основними характеристиками: амплітудою, частотою, довжиною, швидкість; звуком як видом механічних хвиль; джерелами звуку,швидкістю звуку в різних середовищах; нечутним звуком – інфразвуком та ультразвуком.

розвиваюча: розвивати образне, логічне, фізичне мислення; творчі здібності; пам’ять, увагу, уяву.

виховна: виховувати спостережливість, зосередженість; дисциплінованість; формувати науковий світогляд та інтерес до вивчення фізики.

Тип уроку: Урок повідомлення нового матеріалу.

Обладнання: комп’ютерна презентація «Поширення механічних коливань у пружному середовищі», іграшкова пружинка, струна, пластинка, ванночка з водою.

 

Структура уроку

1. Організаційний етап.
2. Актуалізація опорних знань.
3. Мотивація навчальної діяльності. Оголошення теми, мети уроку.
4. Повідомлення нового матеріалу

1.            Поширення коливань у середовищі.
2.            Фронт хвилі. Плоскі та сферичні хвилі.
3.            Параметри хвиль.
4.            Співвідношення між частотою та хвилі та її довжиною.
5.            Звук – хвиля. Історія вивчення звуку.
6.            Механізм виникнення звуку.
7.            Природа звуку.
8.            Джерела звуку.
9.            Знайдіть джерела звуку в загадках.
10.        Фактори, за яких людина відчуває звук.
11.        Швидкість звуку в різних середовищах.
12.        Хвилинка відпочинку.
13.        Питання:
14.        Інфразвук та ультразвук.
15.        Існування інфразвуків та ультразвуків у природі та техніці.
16.        Хвилинка відпочинку.
17.        Діапазони звуків (схема).

V. Закріплення нового матеріалу.

VI. Підсумки уроку. Рефлексія.

VIІ. Завдання додому.

 

Хід уроку

 

І. Організаційний етап

Вітання.

 

ІІ. Актуалізація опорних знань.

Фронтальне опитування

1.  Що таке механічні коливання?
2. Яка природа вільних та вимушених коливань?
3. Що таке:
   • амплітуда?
   • період?
   • частота?
4. Запишіть рівняння гармонічних коливань.
5. Що являє собою математичний маятник?
6. Від чого залежить період математичного маятника?
7. Назвіть три стани речовини.

 

ІІІ. Мотивація навчальної діяльності. Оголошення теми, мети уроку.

Учитель. На попередніх уроках ми з вами вивчили механічні коливання. Ознайомилися з природою їх виникнення, величинами, тобто параметрами, які їх характеризують та з рівнянням, за допомогою якого можна описати коливання.

Сьогодні ж ми мусимо ознайомитися з процесом поширення механічних коливань в пружному середовищі, тобто в речовині. Отже наша сьогоднішня тема: «Поширення механічних коливань у пружному середовищі. Поперечні та поздовжні хвилі. Довжина хвилі. Звукові хвилі.»

 

IV. Повідомлення нового матеріалу.

1. Поширення коливань у середовищі.

Поширення коливань у пружному середовищі називають хвильовим процесом, або хвилею.

Поширення хвиль не супроводжується перенесенням частинок середовища, - вони лише коливаються навколо положення рівноваги.

З хвилею переноситься енергія, яка поширюється у просторі від джерела коливань.

 

2. Фронт хвилі. Плоскі та сферичні хвилі.

Фронт хвилі – поверхня, на якій всі точки середовища коливаються в одній фазі.

Пригадаємо, що фаза визначає стан коливальної системи у будь-який момент часу.

За формою хвильового фронту розрізняють плоскі та сферичні хвилі.

Плоска хвиля – це хвиля, в якої хвильовий фронт являє собою площину.

 

Сферична хвиля – хвиля, фронт якої є сферою чи її частиною.

 

Напрям поширення хвилі називають променем. І він – перпендикулярний до фронту хвилі.

Залежно від напряму коливань частинок щодо напряму поширення хвилі розрізняють поперечні та поздовжні хвилі.

Поперечними хвилями називаються хвилі, в яких коливання частинок середовища відбуваються перпендикулярно до напрямку поширення хвилі.

Поздовжніми називаються хвилі, в яких коливання частинок середовища відбуваються вздовж напрямку поширення хвилі.

 

3. Параметри хвиль.

Хвилі подібно до коливань характеризуються параметрами.

Вищі точки хвильового руху називають гребенями, а нижні – западинами.

Амплітуда А – максимальна висота гребеня чи глибина западини, виміряна відносно нульового рівня (або положення рівноваги). Повний розмах коливань від гребеня до западини дорівнює подвійній амплітуді.

Відстань між двома сусідніми гребенями – довжина хвилі λ. Довжина хвилі дорівнює відстані між будь-якими двома послідовними однаковими за висотою точками хвилі (або відстані між найближчими точками, які коливаються в однокових фазах).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Хвилі характеризуються частотою хвилі ν, під якою розуміють частоту коливань частинок середовища (частота коливань поплавця на поверхні хвилі). Частота хвилі ν – це кількість гребенів хвилі, які проходять через дану точку за одиницю часу (або кількість повних коливань).

Швидкість хвилі υ – це швидкість, з якою переміщається гребінь хвилі.

Швидкість хвилі слід відрізняти від швидкості частинок самого середовища. За період, протягом якого хвиля здійснює одне коливання, тобто опускається з гребеня в западину і знову піднімається на гребінь, хвиля просунеться на відстань λ, і її швидкість дорівнює:

 

 

 

 

 

 

 

 

З даних формул ми можемо вивести і формулу для обчислення довжини хвилі:

 

 

 

4. Співвідношення між частотою та хвилі та її довжиною.

Чим менша довжина хвилі, тим більша її частота. І навпаки. Чим довша хвиля, тим менша її частота.

 

5. Звук – хвиля. Історія вивчення звуку.

Процес поширення звуку також являє собою хвилю. Вперше це припущення зробив знаменитий англійський фізик Ісаак Ньютон (1643 –1727).

Світ, у якому ми живемо, повний найрізноманітніших звуків. Наш світ навіть навчився відтворювати їх, щоб підманювати птиць та звірів. Шелест листя, гуркіт грому, шум морського прибою, свист вітру, тваринне гарчання, спів птиць... Ці звуки чула ще давня людина.

Ми живемо у світі звуків, які дозволяють нам отримувати інформацію про те, що відбувається навколо.

Наука, що вивчає звуки називається акустикою.

Звуки почали вивчати ще в далекі часи. Перші спостереження з акустики були проведенні в IV столітті до нашої ери. Піфагор встановив зв’язок між висотою тону і довжиною струни чи труби, що видають звук.

В IV ст. до н.е. Аристотель перший правильно представив, як поширюється  звук у повітрі. Він сказав, що тіло, яке звучить, викликає стиснення й розрідження повітря і пояснив ехо - відбиванням звуку від перепони.

В XV столітті Леонардо да Вінчі сформулював принцип незалежності звукових хвиль від різних джерел.

 

 

 

 

 

6. Механізм виникнення звуку.

Якщо відтягнути і відпустити струну музичного інструменту чи сталеву пластинку, що затиснута одним кінцем в тисках, вони будуть видавати звук.

Коливання струни чи металевої пластинки передаються оточуючому повітрю.  При відхиленні пластинки в лівий бік вона стискає шари повітря зліва і розріджує шари повітря, що знаходяться справа від пластинки і т.д.

Стиснення й розрідження шарів повітря, що прилягають до пластинки, буде передаватися сусіднім з ними шарам повітря.

(Демонстрація виникнення звуку на моделі з іграшкової пружини та пластинки чи струни)

7. Природа звуку.

Звук – це механічне коливання, що поширюється у пружних середовищах: газах, рідинах і твердих тілах.

Звук – це поздовжня хвиля.

Отже, Звук (звукові хвилі) це пружні хвилі, що здатні викликати у людини слухові відчуття.

8. Джерела звуку.

Джерело звуку – це будь-яке тіло, що здійснює коливання з частотою від 16 Гц до 20000 Гц.

За своєю природою джерела звуку поділяють на природні та штучні:

Природні

(голос, шелест листя, шум прибою та інше)

Штучні

(камертон, струна, дзвін, мембрана телефону)

Спільним у всіх цих випадках є походження звуку: коливання тіл породжують коливання повітря.

 

Знайдіть джерела звуку в загадках.

 

1. Я вночі дзижчу на вухо,
Та не джміль я і не муха.
Непомітно вас я – кусь!
Й крові вашої на п'юсь.                       (Комар).

 

2. Він маленький й голосний

Скликує всіх на урок.

Для дорослих і маленьких

Чарівний гучний …                   (Дзвінок)

 

3. В нього крила, в нього вуса,
Трохи я його боюся.
Як летить – так чути звук.
Бронзовий великий …                         (Жук).

 

4. Щось на небі гуркотить,
Наче звір страшний летить.
Сильний дощ на землю ллється,
Звір у руки не дається.
Очі світяться яскраво –
Всі у дім тікайте жваво!            (Грім та блискавка)

 

9. Фактори, за яких людина відчуває звук.

Людина відчуває звук за умов:

1. Наявності джерела звуку, створюються коливання частотою від 16 до 20000 Гц
2. Є пружне середовище між вухом і джерелом звуку
3. Потужність звукових хвиль достатня для здобуття відчуття звуку

 

10. Швидкість звуку в різних середовищах.

В різних середовищах швидкість звуку є різною. Найбільша швидкість звуку в твердих тілах, дещо менша в рідинах, а найменша в газах.

Речовина	Швидкість звуку, м/с
Повітря  (при 00C)	331
Гелій	1005
Водень	1300
Вода	1440
Морска вода	1560
Важка деревина	4000
Скло	4500
Залізо і сталь	5000
Алюміній	5100

З таблиці ми можемо побачити, що в сталі швидкість звуку 5000 м/с, у воді – 1440 м/с, а у повітрі коливається в межах 330 – 340 м/с.

Також швидкість звуку залежить від властивостей середовища (температури, густини та ін.), в якому розповсюджується звук.

Для прикладу, у повітрі при підвищені температури на 1°С швидкість звуку збільшується приблизно на 0,60 м/с.

 

Хвилинка відпочинку.

Приказка «німий мов риба» виявилася спростованою. Риби неймовірно балакучі. Звуки деяких риб нагадують свистки футбольних суддів, інших – стрільбу з гвинтівки чи пістолету, а дехто галасує, немов мотоцикл, чи видає хлопки.

Найгучніша в світі тварина - блакитний кит. Він може видавати звуки в 188 дБ, які чутні на відстані до 8500 км. від кита.

І одна лише акула завжди мовчить.

 

Питання:

 

1. Чому не можна почути звук дзвону, що знаходиться всередині посудини, з котрої викачали повітря?

Відповідь:

Звук поширюється в будь-якому пружному середовищі - твердому, рідкому чи газоподібному, але не може поширюватися в просторі, де немає речовини.

2. Чи комфортна людині абсолютна тиша?

Відповідь:

Абсолютна тиша нам не підходить, оскільки тримає нервову систему в постійній напрузі. Починають тривожити удари серця, пульс, дихання і, навіть, шурхіт вій).

3. В якому середовищі звук поширюється швидше? А в якому повільніше?

Відповідь:

В газах звук розповсюджується повільніше, ніж в інших середовищах. В рідинах звук розповсюджується швидше. В твердих тілах звук розповсюджується найшвидше.

4. При польоті більшість комах видають звук. Як це відбувається?

Відповідь:

Крила – коливальна система, або джерело звуку. Вони коливають повітря біля крил і породжується звук.

 

11. Інфразвук та ультразвук.

Окрім чутного людським вухом звуку існують ще два види звуку: ультразвук та інфразвук. Людське вуху їх не відчуває.

Інфразвуком називають хвилі з частотою від 0 Гц до 16 Гц .

Зверху цей діапазон частот обмежений нижньою межею чутності для людського вуха.

Ультразвуком прийнято називати хвилі частотою від 20000 Гц до 1 ГГц.

Знизу цей діапазон частот обмежений верхньою межею чутності для людського вуха.

 

12. Існування інфразвуків та ультразвуків у природі та техніці.

У природі існують інфразвуки. Вони є скрізь. Інфразвукові коливання в повітрі з’являються з грозами та сильними вітрами, сонячними спалахами.

Бувають вони від пострілів, вибухів, обвалів, землетрусів.

У природі ультразвук зустрічається як компонент багатьох природних шумів: у шумі вітру, водопаду, дощу, морської гальки, що перекочується прибоєм, в грозових розрядах. Багато ссавців, наприклад кішки і собаки, володіють здатністю сприйняття ультразвуку частотою до 100 кГц, а локаційні здібності кажанів, нічних комах і морських тварин всім добре відомі.

Інфра- та ультразвуки застосовується в техніці: медицина, навігація та ін.

Також вони можуть буди шкідливими для людського організму, викликаючи порушення роботи організму та неприємні відчуття.

 

Хвилинка відпочинку.

«Жди поки рак свисне» - неможливість чогось дочекатися.

З розвитком науки про механічні хвилі ця приказка втратила свій сенс, адже раки “говорять”.

Однак вони видають звуки в діапазоні нечутному для людського вуха.

 

13. Діапазони звуків (схема).

 

 

V. Закріплення нового матеріалу.

 

Задача 1

 

Чому дорівнює швидкість морських хвиль, якщо вони піднімають плаваючий буй кожні 1,5с, а відстань між гребенями сусідніх хвиль дорівнює 6м?

 

Дано Т=1,5 с λ=6м	Розв’язання Запишемо формулу для знаходження швидкості при наявному періоді та довжині хвилі:                                Перевіримо одиниці вимірювання:                                Підставимо значення у дану формулу і знайдемо швидкість хвилі:                                Відповідь: швидкість хвилі дорівнює 4 м/с.
υ - ?

 

 

Задача 2

Як змінюється швидкість звуку під час переходу з повітря у воду?

 

Дано υ1=330м/с υ2=1500м/с	Розв’язання При переході звукової хвилі з повітря у воду її швидкість збільшується, тому візьмемо співвідношення таке: υ2/υ1 Отже υ2/ υ1=1500/330=4,54 Відповідь: швидкість звуку при переході з повітря у воду збільшується в 4,54 рази..
υ2/υ1 - ?

Додаткові задачі :

1. Повз спостерігача, що стоїть на березі річки, за 6с пройшло 4 гребені хвиль. Відстань між першим і четвертим гребенем 12м. Визначте період, швидкість та довжину хвиль.
2. Рибалка помітив, що за 10с поплавок здійснив на хвилях 20 коливань, а відстань між сусідніми гребенями 1,2м. Яка швидкість поширення хвиль?
3. Коли вітер попутний, звук поширюється зі швидкістю 380м/с, а коли зустрічний – 320м/с. Яка швидкість вітру і звуку в тиху погоду?
4.  

VІ. Підсумки уроку. Рефлексія.

1.          Чи було вам цікаво на уроці?
2.          Що вам сподобалося?
3.          Що ви ще хотіли б дізнатися з даної теми?

 

VІІ. Завдання додому.

1. Опрацювати § 24.

2. Задача.

Човен гойдається на хвилі з частотою 0,5 Гц. Чому дорівнює швидкість цієї хвилі, якщо відстань між сусідніми гребенями 3 м.

 

Дано ν=0,5 Гц λ=3м	Розв’язання Запишемо формулу для знаходження швидкості при наявній частоті та довжині хвилі:                                Перевіримо одиниці вимірювання:                                Підставимо значення у дану формулу і знайдемо швидкість хвилі:                                . Відповідь: швидкість хвилі дорівнює 1,5 м/с.
υ - ?