Что обязательно происходит с любым источником звука?

Он движется равномерно

Источники звука — 9 класс, физика: объяснение, примеры, задачи

Что нужно знать до

Если что-то из этого забылось, начни оттуда — так будет понятнее.

Колебательное движение. Свободные колебания

Коротко о главном

Звук создают колеблющиеся тела. Человек слышит колебания с частотой примерно от 16 до 20 000 Гц — они называются звуковыми. Ниже 16 Гц — инфразвук, выше 20 000 Гц — ультразвук. Эхолокация позволяет найти расстояние по времени возвращения эха:

h = \frac{vt}{2}

Подробное объяснение

Положите ладонь на горло и скажите «а-а-а». Пальцы почувствуют дрожь — это колеблются голосовые связки. Замолчите — дрожь пропадёт. Так же дрожит струна гитары, мембрана колонки, стакан, по которому постучали ложкой.

Источник звука всегда колеблется

Источники звука — это колеблющиеся тела. Иногда колебания видны: струна кажется размытой, прижатая к столу линейка дрожит. Иногда нет — тогда их можно обнаружить. Лёгкий шарик на нитке отскакивает от звучащего камертона. Бумажная полоска подпрыгивает у звучащей струны. Остановите струну рукой — звук сразу исчезнет.

Колебаться может не только твёрдое тело, но и воздух. Свист ветра, звук флейты, раскат грома — это колебания масс воздуха.

Если к ветви камертона прикрепить тонкое остриё и быстро протянуть под ним закопчённое стекло, на стекле останется волнистая линия, очень похожая на синусоиду. Значит, ветви камертона совершают гармонические колебания.

Но не всякое колебание — звук

Груз на пружине колеблется, а звука нет. Дело в частоте. Ухо человека воспринимает как звук механические колебания с частотой примерно от 16 до 20 000 Гц. Такие колебания называют звуковыми.

Меньше 16 Гц — инфразвук. Его создают, например, морские волны при шторме, качели, взмахи крыльев крупной птицы.
Больше 20 000 Гц — ультразвук. Его используют летучие мыши и дельфины.

Границы условны. С возрастом верхняя граница заметно снижается: пожилой человек может не слышать звуков выше 6000 Гц. Дети, наоборот, иногда слышат чуть выше 20 000 Гц.

Частота и её единицы

Частота $\nu$ — число колебаний за одну секунду. Единица — герц (Гц): 1 Гц — одно колебание в секунду. Считаем частоту так:

\nu = \frac{N}{t} = \frac{1}{T},

где $$N$$ — число колебаний, $$t$$ — время в секундах, $$T$$ — период в секундах.

Эхолокация

Ультразвук хорошо идёт узким пучком, и это используют в технике. Эхолот на дне судна посылает вниз короткий сигнал. Сигнал доходит до дна, отражается и возвращается к приёмнику. Прибор измеряет время $$t$$ от отправки до приёма. За это время звук со скоростью $$v$$ прошёл путь туда и обратно, то есть удвоенную глубину:

2h = vt, \qquad h = \frac{vt}{2}.

Здесь $$h$$ — глубина (м), $$v$$ — скорость звука в воде (м/с, около 1500 м/с), $$t$$ — время (с). Такой способ измерять расстояние называется эхолокацией. Так же летучая мышь «видит» мошку в темноте.

Как решать задачи

Определите, что спрашивают: частоту, диапазон колебаний или расстояние по эху.
Если дано число колебаний и время — найдите частоту $\nu = N/t$ ; если период — $\nu = 1/T$ . Время переведите в секунды.
Сравните частоту с границами 16 Гц и 20 000 Гц: меньше — инфразвук, между — звук, больше — ультразвук.
В задаче на эхо помните: сигнал проходит путь дважды. Расстояние $$h = vt/2$$ , время $$t = 2h/v$$ .
Проверьте ответ на здравый смысл: глубина моря — сотни или тысячи метров, а не миллионы.

Разобранные примеры

База

Слышим ли мы стрекозу

Условие

Крылья стрекозы делают 1800 взмахов за 60 с. Слышим ли мы звук её крыльев?

Дано

$$N = 1800$$
$$t = 60$$ с

Найти

$\nu$

Решение

$\nu = \dfrac{N}{t} = \dfrac{1800}{60} = 30$ Гц.

30 Гц больше 16 Гц — это звуковой диапазон, хотя и очень низкий. Звук слышен как негромкое гудение.

Ответ: 30 Гц, звук слышен

Средний

Глубина озера

Условие

Эхолот рыбака получил эхо от дна через 0,04 с после отправки сигнала. Скорость звука в воде 1500 м/с. Какова глубина озера в этом месте?

Дано

$$t = 0{,}04$$ с
$$v = 1500$$ м/с

Найти

$$h$$

Решение

Сигнал прошёл путь до дна и обратно: $$2h = vt$$ .

$h = \dfrac{vt}{2} = \dfrac{1500 \cdot 0{,}04}{2} = 30$ м.

Ответ: 30 м

Сложный

Летучая мышь и мотылёк

Условие

Летучая мышь издаёт ультразвуковой писк и слышит эхо от мотылька через 0,01 с. Скорость звука в воздухе 340 м/с. На каком расстоянии мотылёк? Какой частоты может быть писк, если человек его не слышит?

Дано

$$t = 0{,}01$$ с
$$v = 340$$ м/с

Найти

$$s$$

Решение

$s = \dfrac{vt}{2} = \dfrac{340 \cdot 0{,}01}{2} = 1{,}7$ м.

Человек не слышит писк — значит, его частота выше 20 000 Гц (ультразвук), например 40 000 Гц.

Ответ: 1,7 м; частота выше 20 000 Гц

Типичные ошибки

Забывают, что эхо проходит путь дважды

Почему неверно

Считают $$h = vt$$ и получают глубину вдвое больше настоящей. За время $$t$$ сигнал успевает дойти до дна и вернуться.

Как правильно

Путь сигнала равен $$2h$$ , поэтому $$h = vt/2$$ .

Считают, что любое колеблющееся тело звучит

Почему неверно

Маятник, качели, груз на пружине колеблются, но звука нет: их частота меньше 16 Гц.

Как правильно

Звук слышен, только если частота колебаний лежит примерно в диапазоне от 16 до 20 000 Гц.

Путают ультразвук и инфразвук

Почему неверно

Приставка «ультра» значит «сверх», «инфра» — «ниже». Если их перепутать, неверно определяется диапазон.

Как правильно

Ультразвук — выше 20 000 Гц, инфразвук — ниже 16 Гц.

Проверь себя

Ответь на вопросы — после каждого ответа появится пояснение.

Проверь себя по всему разделу

Задачи для тренировки

От простых к сложным. Подсказку, решение и ответ открывай, только когда попробовал сам.

База Задача 1

Крылья шмеля делают 12 000 взмахов за 1 минуту. Какова частота взмахов? Слышим ли мы жужжание шмеля?

Подсказка

Частота — число колебаний за одну секунду.

Решение

$\nu = \dfrac{N}{t} = \dfrac{12\,000}{60} = 200$ Гц. Это больше 16 Гц и меньше 20 000 Гц — частота лежит в звуковом диапазоне, поэтому жужжание слышно.

Ответ

200 Гц, слышим

База Задача 2

Колебания происходят с частотами 8 Гц, 900 Гц и 45 000 Гц. Какие из них звуковые, какие — ультразвуковые, какие — инфразвуковые?

Решение

Звуковой диапазон — от 16 до 20 000 Гц. 8 Гц меньше 16 Гц — инфразвук. 900 Гц — звук. 45 000 Гц больше 20 000 Гц — ультразвук.

Ответ

8 Гц — инфразвук, 900 Гц — звук, 45 000 Гц — ультразвук

Средний Задача 3

Эхолот катера послал ультразвуковой сигнал вниз и принял отражённый от дна сигнал через 0,6 с. Скорость звука в воде 1500 м/с. Найдите глубину.

Подсказка

За время 0,6 с сигнал прошёл путь до дна и обратно.

Решение

Путь сигнала $$2h = vt$$ , откуда $h = \dfrac{vt}{2} = \dfrac{1500 \cdot 0{,}6}{2} = 450$ м.

Ответ

450 м

Средний Задача 4

Период колебаний мембраны громкоговорителя 0,0025 с. Какова частота колебаний? Услышит ли человек звук?

Решение

$\nu = \dfrac{1}{T} = \dfrac{1}{0{,}0025} = 400$ Гц. Частота в пределах от 16 до 20 000 Гц — звук слышен.

Ответ

400 Гц, услышит

Сложный Задача 5

Глубина моря под судном 2400 м, скорость ультразвука в воде 1500 м/с. Через какое время эхолот примет отражённый сигнал?

Подсказка

Сигнал проходит удвоенную глубину.

Решение

Из $$2h = vt$$ получаем $t = \dfrac{2h}{v} = \dfrac{2 \cdot 2400}{1500} = 3{,}2$ с.

Ответ

3,2 с

Сложный Задача 6

Груз на пружине колеблется с частотой 3 Гц, а струна гитары — с частотой 330 Гц. Оба тела колеблются, но звук мы слышим только от струны. Почему?

Решение

Ухо воспринимает как звук только колебания с частотой от 16 до 20 000 Гц. Частота груза 3 Гц меньше 16 Гц — это инфразвуковые колебания, их мы не слышим. Частота струны 330 Гц попадает в звуковой диапазон.

Ответ

Частота груза ниже 16 Гц — вне звукового диапазона

Для родителя

Как объяснить за 5 минут. Прижмите линейку к краю стола и дёрните свободный конец — линейка дрожит и гудит. Выдвигайте её всё дальше: колебания становятся медленнее, и в какой-то момент звук пропадает, хотя линейка ещё качается. Значит, звук — это колебания, но только достаточно частые. Затем попросите ребёнка приложить руку к горлу во время разговора.

Вопросы для проверки понимания: 1. Почему качели не звучат, хотя колеблются? 2. Чем ультразвук отличается от инфразвука? 3. Почему в формуле эхолота глубину делят на 2?

На что обратить внимание. Ребёнок должен помнить границы 16 Гц и 20 000 Гц и понимать, что частота — число колебаний за секунду. В задачах на эхо чаще всего теряют двойку.

Где в учебниках

Учебник	Параграф	Упражнения
Физика. 9 класс (Перышкин, Гутник)	§ 30	28