W budowie
Prezentacja modułu

Moduł 15 — Dźwięk, echo i niesłyszalne fale: ultradźwięki i infradźwięki — kurs Ruch drgający i fale (kurs podstawowy)

Moduł 15 kursu Ruch drgający i fale: Prawa falowe w akustyce: prędkość dźwięku w różnych ośrodkach, odbicie fali (echo i pogłos) oraz podział na infradźwięki, dźwięki słyszalne i ultradźwięki.

  • 45 min
  • 22 slajdów
  • Notatki nauczyciela: N
  • Strona modułu: otwórz
Plan · 45 min

Co dziś robimy

  1. 4 min1. Czym jest dźwięk i dlaczego nie ma go w próżni? Wszystko, co słyszysz wokół siebie — głos kolegi, śpiew ptaków, szum wiatru czy ulubioną…
  2. 6 min2. Prędkość dźwięku w różnych ośrodkach Światło porusza się z prędkością $c \approx 300\,000\text{ km/s}$ — odległość kilku…
  3. 6 min3. Odbicie dźwięku: Echo a Pogłos Prędkość dźwięku w powietrzu wynosi $v = 340\text{ m/s}$.
  4. 4 min4. Echosonda i sonar: wzór $d = \frac{v \cdot t}{2}$ teza, kod i pytanie kontrolne
  5. 4 minAnimacja interaktywna: Wirtualna echosonda morska teza, kod i pytanie kontrolne
  6. 7 min5. Podział fal dźwiękowych: Infradźwięki, Dźwięki słyszalne, Ultradźwięki Infradźwięki ($f dźwięki o bardzo małej częstotliwości i olbrzymiej długości fali…
  7. 5 minPrzykłady obliczeniowe krok po kroku Wypisujemy dane: • Czas biegu sygnału tam i z powrotem: $t = 0{,}24\text{ s}$.
  8. 5 minZadanie transferowe — wybuchy w Gwiezdnych Wojnach Czy astronauta znajdujący się w skafandrze kilkaset metrów od wybuchającego statku w…
  9. 5 minPodsumowanie bilet wyjściowy i zadanie domowe
Atom 1 z 8 · ~4 min

1. Czym jest dźwięk i dlaczego nie ma go w próżni?

W tym module zajmiemy się najpowszechniejszą i najważniejszą dla nas falą mechaniczną — falą dźwiękową . Odkryjemy, dlaczego dźwięk potrzebuje materii do podróżowania i w kosmosie panuje głucha cisza, dlaczego w wodzie i stali biegnie o…

  • Wszystko, co słyszysz wokół siebie — głos kolegi, śpiew ptaków, szum wiatru czy ulubioną piosenkę w słuchawkach — to w rzeczywistości fala mechaniczna rozchodząca się w…
  • Dźwięk powstaje wtedy, gdy jakieś ciało zostaje wprawione w drgania: struna gitary, membrana głośnika, struny głosowe w krtani czy widełki kamertonu.
  • Drgające ciało na przemian popycha sąsiadujące cząsteczki powietrza i cofa się, tworząc wędrujące w przestrzeni strefy zagęszczenia i rozrzedzenia powietrza .
  • MODUŁ 15 · BLOK IV: FALE MECHANICZNE I AKUSTYKA
Dźwięk NIE ROZCHODZI SIĘ W PRÓŻNI!
Fala dźwiękowa to drgania cząsteczek materii przekazywane z jednej na drugą. Jeśli nie ma cząsteczek — nie ma czego wprawić w drgania!
• Gdy w laboratorium umieścimy dzwoniący budzik pod szklanym kloszem i za pomocą pompy wypompujemy całe powietrze (stworzymy próżnię), młoteczek budzika nadal energicznie uderza w dzwonki, ale z zewnątrz nie słychać absolutnie nic!
• W przestrzeni kosmicznej (gdzie panuje niemal idealna próżnia) żaden wybuch, przelatujący statek czy silnik rakietowy nie wydają żadnego dźwięku. Słynne filmowe eksploracje w próżni z hukiem to wyłącznie efekt artystyczny hollywoodzkich twórców!
Sprawdzenie · atom 1 · ~2 min

Pytanie do klasy

Jakiego rodzaju falą jest dźwięk rozchodzący się w powietrzu?

Atom 2 z 8 · ~6 min

2. Prędkość dźwięku w różnych ośrodkach

Jak dowiedzieliśmy się w module 14, prędkość fali zależy wyłącznie od właściwości fizycznych ośrodka , w którym się porusza. W przypadku dźwięku kluczowe są dwa czynniki: jak blisko siebie znajdują się cząsteczki oraz jak sprężyste są…

  • Światło porusza się z prędkością $c \approx 300\,000\text{ km/s}$ — odległość kilku kilometrów pokonuje w ułamku mikrosekundy, czyli widzimy błysk natychmiast .
  • Dźwięk porusza się w powietrzu z prędkością zaledwie $v \approx 340\text{ m/s}$. Na przebycie każdego kilometra ($1000\text{ m}$) dźwięk potrzebuje: \[ t = \frac{s}{v} =…
  • Ciekawostka historyczna: Dawniej traperzy i rdzenni mieszkańcy Ameryki przykładali ucho do szyn kolejowych lub do ziemi.
  • Ponieważ dźwięk w stali i w zwartej ziemi biegnie kilkanaście razy szybciej niż w powietrzu (oraz ulega znacznie mniejszemu rozproszeniu), stukot kół nadjeżdżającego…
Zasada gęstszego upakowania:
Im ciaśniej ułożone są cząsteczki w materiale, tym szybciej jedna cząsteczka może przekazać impuls zderzenia swojej sąsiadce:

1. W gazach (powietrze w temp. $20^\circ\text{C}$): cząsteczki są od siebie daleko i rzadko się zderzają.
$\implies v_{\text{powietrze}} \approx \mathbf{340\text{ m/s}}$ (ok. $1224\text{ km/h}$).

2. W cieczach (woda): cząsteczki stykają się ze sobą bezpośrednio, więc przekazują drgania znacznie sprawniej.
$\implies v_{\text{woda}} \approx \mathbf{1500\text{ m/s}}$ (ponad 4 razy szybciej niż w powietrzu!).

3. W ciałach stałych (stal, żelazo, granit): atomy są mocno powiązane sztywną siecią krystaliczną.
$\implies v_{\text{stal}} \approx \mathbf{5000\text{--}6000\text{ m/s}}$ (aż 15–18 razy szybciej niż w powietrzu!).
Ilustracja · atom 2 · ~2 min

2. Prędkość dźwięku w różnych ośrodkach

Prędkość dźwięku zależy od stanu skupienia materii POWIETRZE (Gaz) ≈ 340 m/s cząsteczki rzadko rozmieszczone WODA (Ciecz) ≈ 1 500 m/s bliski kontakt cząsteczek (4× szybciej) STAL (Ciało stałe) ≈ 5 100 m/s sztywna sieć krystaliczna (15× szybciej)
Sprawdzenie · atom 2 · ~2 min

Pytanie do klasy

W którym ośrodku dźwięk biegnie najszybciej?

Atom 3 z 8 · ~6 min

3. Odbicie dźwięku: Echo a Pogłos

Gdy fala dźwiękowa napotyka na swojej drodze dużą i gładką przeszkodę (np. urwistą ścianę skalną, wysoki budynek czy betonową ścianę hali), ulega odbiciu — fala powraca do ośrodka, z którego nadeszła.

  • Prędkość dźwięku w powietrzu wynosi $v = 340\text{ m/s}$.
  • Minimalny czas potrzebny, by ucho rozpoznało echo, wynosi $t = 0{,}1\text{ s}$.
  • W czasie $0{,}1\text{ s}$ fala dźwiękowa pokonuje w powietrzu drogę: \[ s = v \cdot t = 340\text{ m/s} \cdot 0{,}1\text{ s} = \mathbf{34\text{ metry}} \]
  • Pamiętaj: fala musi przebyć drogę do ściany i z powrotem ($s = 2d$). Zatem odległość do ściany wynosi: \[ d = \frac{s}{2} = \frac{34\text{ m}}{2} = \mathbf{17\text{…
Bezwładność ucha ludzkiego ($0{,}1\text{ sekundy}$):
Ludzki mózg jest w stanie rozróżnić dwa dźwięki jako odrębne impulsy tylko wtedy, gdy dzieli je przerwa czasowa co najmniej $0{,}1\text{ sekundy}$ ($100\text{ ms}$).
Jeśli odbity dźwięk dotrze do ucha szybciej niż po $0{,}1\text{ s}$, mózg zleje go z dźwiękiem pierwotnym w jedno przedłużone brzmienie!
Zestawienie · atom 3 · ~2 min

3. Odbicie dźwięku: Echo a Pogłos

Gdy fala dźwiękowa napotyka na swojej drodze dużą i gładką przeszkodę (np. urwistą ścianę skalną, wysoki budynek czy betonową ścianę hali), ulega odbiciu — fala powraca do ośrodka, z którego nadeszła.

Zjawisko Opóźnienie odbicia ($t$) Odległość od ściany ($d$) Wrażenie słuchowe i przykłady
ECHO $t \ge 0{,}1\text{ s}$ $d \ge 17\text{ m}$ Słyszysz wyraźne, powtórzone słowo po chwili przerwy. Występuje w górach przed ścianą skalną lub na leśnej polanie przed ścianą lasu.
POGŁOS $t < 0{,}1\text{ s}$ $d < 17\text{ m}$ Dźwięk odbity zlewa się z pierwotnym — głos wydaje się nienaturalnie przeciągły, „pusty” i dudniący. Występuje w pustym pokoju przed wniesieniem mebli, na klatkach schodowych, w kościołach i salach gimnastycznych.
Sprawdzenie · atom 3 · ~2 min

Pytanie do klasy

Jaka jest bezwładność ucha ludzkiego, czyli minimalna przerwa potrzebna do usłyszenia dwóch osobnych dźwięków?

Ilustracja · atom 4 · ~2 min

4. Echosonda i sonar: wzór $d = \frac{v \cdot t}{2}$

Zasada echosondy: impuls pokonuje drogę d DWA RAZY (tam i z powrotem) STATEK powierzchnia wody DNO MORSKIE / PRZESZKODA 1. W dół (d) 2. Echo w górę (d) Głębokość d CAŁKOWITA DROGA FALI: s = 2d 2d = v · t d = (v · t) / 2
Sprawdzenie · atom 4 · ~2 min

Pytanie do klasy

Dlaczego przy pomiarze echosondą dzielimy iloczyn $v \cdot t$ przez $2$?

Symulacja · atom 5 · ~2 min

Animacja interaktywna: Wirtualna echosonda morska

Sprawdzenie · atom 5 · ~2 min

Pytanie do klasy

W symulatorze ustawiasz głębokość $600\text{ m}$, a ośrodkiem jest woda morska ($v = 1500\text{ m/s}$). Po jakim czasie wróci echo?

Atom 6 z 8 · ~7 min

5. Podział fal dźwiękowych: Infradźwięki, Dźwięki słyszalne, Ultradźwięki

Ludzkie ucho jest wspaniałym instrumentem, ale rejestruje fale mechaniczne tylko w bardzo określonym przedziale częstotliwości. Wszystko, co drga wolniej lub szybciej, istnieje w przyrodzie, ale jest dla nas zupełnie niesłyszalne!

  • Infradźwięki ($f dźwięki o bardzo małej częstotliwości i olbrzymiej długości fali ($\lambda > 17\text{ m}$). Ze względu na wielką długość fali niemal nie ulegają…
  • Dźwięki słyszalne ($20\text{ Hz} \le f \le 20\,000\text{ Hz}$): pasmo odbierane przez ludzkie ucho. Wraz z wiekiem oraz pod wpływem głośnego słuchania muzyki na…
  • Ultradźwięki ($f > 20\,000\text{ Hz}$): dźwięki o bardzo dużej częstotliwości i mikroskopijnej długości fali ($\lambda • Echolokacja zwierząt: nietoperze wysyłają pisk…
Ilustracja · atom 6 · ~2 min

5. Podział fal dźwiękowych: Infradźwięki, Dźwięki słyszalne, Ultradźwięki

Skala częstotliwości fal akustycznych INFRADŹWIĘKI DŹWIĘKI SŁYSZALNE ULTRADŹWIĘKI 20 Hz 20 000 Hz (20 kHz) poniżej 20 Hz • słonie, wieloryby • wulkany, trzęsienia ziemi • słabe tłumienie w powietrzu od 20 Hz do 20 000 Hz • mowa ludzka, śpiew, muzyka • basy: 20–200 Hz • soprany: 1000–3000 Hz powyżej 20 000 Hz • nietoperze, delfiny, psy • aparat USG w medycynie • sonar morski, myjki ultradźw.
Sprawdzenie · atom 6 · ~2 min

Pytanie do klasy

Jakie są granice pasma słyszalnego człowieka?

Atom 7 z 8 · ~5 min

Przykłady obliczeniowe krok po kroku

Treść: Kuter rybacki wysłał impuls ultradźwiękowy o prędkości $v = 1500\text{ m/s}$ pionowo w dół morza. Po upływie czasu $t = 0{,}24\text{ sekundy}$ odbiornik zarejestrował echo odbite od dużej ławicy dorszy.

  • Wypisujemy dane: • Czas biegu sygnału tam i z powrotem: $t = 0{,}24\text{ s}$. • Prędkość fali w wodzie: $v = 1500\text{ m/s}$. • Szukana: głębokość ławicy $d$.
  • Stosujemy wzór na odległość echosondy (z uwzględnieniem drogi w obie strony): \[ d = \frac{v \cdot t}{2} \]
  • Podstawiamy dane liczbowe: \[ d = \frac{1500\text{ m/s} \cdot 0{,}24\text{ s}}{2} = \frac{360\text{ m}}{2} = \mathbf{180\text{ metrów}} \]
  • Dane: $t = 7{,}5\text{ s}$, $v = 340\text{ m/s}$. Szukana odległość: $s$.
Rozwiązanie krok po kroku:
  1. Wypisujemy dane:
    • Czas biegu sygnału tam i z powrotem: $t = 0{,}24\text{ s}$.
    • Prędkość fali w wodzie: $v = 1500\text{ m/s}$.
    • Szukana: głębokość ławicy $d$.
  2. Stosujemy wzór na odległość echosondy (z uwzględnieniem drogi w obie strony): \[ d = \frac{v \cdot t}{2} \]
  3. Podstawiamy dane liczbowe: \[ d = \frac{1500\text{ m/s} \cdot 0{,}24\text{ s}}{2} = \frac{360\text{ m}}{2} = \mathbf{180\text{ metrów}} \]
Odpowiedź: Ławica ryb znajduje się na głębokości $180\text{ metrów}$.
Sprawdzenie · atom 7 · ~2 min

Pytanie do klasy

Sonar kutra ($v = 1500\text{ m/s}$) odebrał echo po $0{,}24\text{ s}$. Na jakiej głębokości jest ławica ryb?

Atom 8 z 8 · ~5 min

Zadanie transferowe — wybuchy w Gwiezdnych Wojnach

Nie liczy się do paska postępu. Odpowiedź znajdziesz w rozwijanym polu poniżej.

  • Czy astronauta znajdujący się w skafandrze kilkaset metrów od wybuchającego statku w próżni kosmicznej usłyszałby ten wybuch? Odpowiedź uzasadnij fizycznie.
  • Czy astronauta ten zobaczyłby błysk światła z eksplozji? Czym różni się fala świetlna od fali dźwiękowej pod względem konieczności istnienia ośrodka?
  • Dźwięk wybuchu: Astronauta nie usłyszałby absolutnie nic . Dźwięk jest falą mechaniczną polegającą na drganiach cząsteczek materii.
  • Błysk światła: Tak, astronauta zobaczyłby oślepiający błysk natychmiast . Światło nie jest falą mechaniczną, lecz falą elektromagnetyczną (zaburzeniem pól elektrycznego…
Sprawdzenie · atom 8 · ~2 min

Pytanie do klasy

Statek wybucha w próżni kilkaset metrów od astronauty. Czy usłyszy on wybuch?

Zamknięcie · ~2 min

Co zabrać z lekcji

  • Wszystko, co słyszysz wokół siebie — głos kolegi, śpiew ptaków, szum wiatru czy ulubioną piosenkę w słuchawkach — to w rzeczywistości fala mechaniczna…
  • Światło porusza się z prędkością $c \approx 300\,000\text{ km/s}$ — odległość kilku kilometrów pokonuje w ułamku mikrosekundy, czyli widzimy błysk natychmiast .
  • Prędkość dźwięku w powietrzu wynosi $v = 340\text{ m/s}$.
  • 4. Echosonda i sonar: wzór $d = \frac{v \cdot t}{2}$
Bilet wyjściowy: Dlaczego powietrze w skafandrze astronauty nie wystarczy, by usłyszał on wybuch?
Odpowiedź: d) Bo fala musi najpierw przejść przez próżnię między statkiem a skafandrem
Hyżyk· Moduł 15 — Dźwięk, echo i niesłyszalne fale: ultradźwięki i moduł 1 / 1