Wydział EAIiE Kierunek: Elektrotechnika. Wykład 12: Fale. Przedmiot: Fizyka. RUCH FALOWY -cd. Wykład /2009, zima 1

Podobne dokumenty
Wykład 9: Fale cz. 2. dr inż. Zbigniew Szklarski

Wykład 9: Fale cz. 2. dr inż. Zbigniew Szklarski

Fala oscylacje w przestrzeni i w czasie. Zaburzenie, które rozchodzi się w ośrodku.

Rodzaje fal. 1. Fale mechaniczne. 2. Fale elektromagnetyczne. 3. Fale materii. dyfrakcja elektronów

Fala oscylacje w przestrzeni i w czasie. Zaburzenie, które rozchodzi się w ośrodku.

PRZYKŁADY RUCHU HARMONICZNEGO. = kx

Fale akustyczne. Jako lokalne zaburzenie gęstości lub ciśnienia w ośrodkach posiadających gęstość i sprężystość. ciśnienie atmosferyczne

Dźwięk. Cechy dźwięku, natura światła

Przedmiot: Fizyka. Światło jako fala. 2016/17, sem. letni 1

Podstawy Akustyki. Drgania normalne a fale stojące Składanie fal harmonicznych: Fale akustyczne w powietrzu Efekt Dopplera.

Fala oscylacje w przestrzeni i w czasie. Zaburzenie, które rozchodzi się w ośrodku.

Światło jako fala Fala elektromagnetyczna widmo promieniowania Czułość oka ludzkiego w zakresie widzialnym

Podstawy Akustyki. Drgania normalne a fale stojące Składanie fal harmonicznych: Fale akustyczne w powietrzu Efekt Dopplera

Fale mechaniczne i akustyka

Ruch falowy. Parametry: Długość Częstotliwość Prędkość. Częstotliwość i częstość kołowa MICHAŁ MARZANTOWICZ

Wykład 3: Jak wygląda dźwięk? Katarzyna Weron. Matematyka Stosowana

Podstawy fizyki sezon 1 VIII. Ruch falowy

Projekt Inżynier mechanik zawód z przyszłością współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Wykład FIZYKA I. 11. Fale mechaniczne. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

2. Rodzaje fal. Fale te mogą rozchodzić się tylko w jakimś ośrodku materialnym i podlegają prawom Newtona.

FALE DŹWIĘKOWE. fale podłużne. Acos sin

Fale dźwiękowe. Jak człowiek ocenia natężenie bodźców słuchowych? dr inż. Romuald Kędzierski

2.6.3 Interferencja fal.

Prowadzący: Kamil Fedus pokój nr 569 lub 2.20 COK konsultacje: środy

Wykład 17: Optyka falowa cz.1.

Podstawy fizyki wykład 7

falowego widoczne w zmianach amplitudy i natęŝenia fal) w którym zachodzi

1. Po upływie jakiego czasu ciało drgające ruchem harmonicznym o okresie T = 8 s przebędzie drogę równą: a) całej amplitudzie b) czterem amplitudom?

Zjawisko interferencji fal

Podstawy fizyki sezon 1 VII. Ruch drgający

1 Wymagania egzaminacyjne na egzamin maturalny - poziom rozszerzony: fizyka

Fizyka 12. Janusz Andrzejewski

Aby nie uszkodzić głowicy dźwiękowej, nie wolno stosować amplitudy większej niż 2000 mv.

2LO 6 lu L 92, 93, 94 T3.5.2 Matematyczny opis zjawisk falowych cd. Na poprzednich lekcjach już było mamy to umieć 1. Ruch falowy 1.

Fizyka 11. Janusz Andrzejewski

Wykład 9: Fale cz. 1. dr inż. Zbigniew Szklarski

Wykład 9: Fale cz. 1. dr inż. Zbigniew Szklarski

Drgania i fale II rok Fizyk BC

Ruch drgający. Ruch harmoniczny prosty, tłumiony i wymuszony

Ruch falowy. Fala zaburzenie wywoane w jednym punkcie ośrodka, które rozchodzi się w każdym dopuszczalnym kierunku.

Zjawisko interferencji fal

Zjawisko interferencji fal

POMIAR PRĘDKOŚCI DŹWIĘKU METODĄ REZONANSU I METODĄ SKŁADANIA DRGAŃ WZAJEMNIE PROSTOPADŁYCH

FALE W OŚRODKACH SPRĘZYSTYCH

Imię i nazwisko ucznia Data... Klasa...

Drgania i fale sprężyste. 1/24

Fale dźwiękowe wstęp. Wytworzenie fali dźwiękowej w cienkim metalowym pręcie.

Optyka. Wykład V Krzysztof Golec-Biernat. Fale elektromagnetyczne. Uniwersytet Rzeszowski, 8 listopada 2017

Fale cz. 1. dr inż. Ireneusz Owczarek CMF PŁ 2012/13

Fale dźwiękowe i zjawisko dudnień. IV. Wprowadzenie.

WYDZIAŁ EKOLOGII LABORATORIUM FIZYCZNE

Ψ(x, t) punkt zamocowania liny zmienna t, rozkład zaburzeń w czasie. x (lub t)

LABORATORIUM ELEKTROAKUSTYKI. ĆWICZENIE NR 1 Drgania układów mechanicznych

Ć W I C Z E N I E N R M-7

Fala jest zaburzeniem, rozchodzącym się w ośrodku, przy czym żadna część ośrodka nie wykonuje zbyt dużego ruchu

Ponieważ zakres zmian ciśnień fal akustycznych odbieranych przez ucho ludzkie mieści się w przedziale od 2*10-5 Pa do 10 2 Pa,

Nauka o słyszeniu. Wykład I Dźwięk. Anna Preis,

Krzysztof Łapsa Wyznaczenie prędkości fal ultradźwiękowych metodami interferencyjnymi

BADANIE PODŁUŻNYCH FAL DŹWIĘKOWYCH W PRĘTACH

BADANIE FAL AKUSTYCZNYCH

Wykład 2: Od drgań do fali Katarzyna Weron. WPPT, Matematyka Stosowana

Drgania. W Y K Ł A D X Ruch harmoniczny prosty. k m

OPTYKA FALOWA. W zjawiskach takich jak interferencja, dyfrakcja i polaryzacja światło wykazuje naturę

Prędkość fazowa i grupowa fali elektromagnetycznej w falowodzie

4.3 Wyznaczanie prędkości dźwięku w powietrzu metodą fali biegnącej(f2)

autor: Włodzimierz Wolczyński rozwiązywał (a)... ARKUSIK 32 AKUSTYKA Rozwiązanie zadań należy zapisać w wyznaczonych miejscach pod treścią zadania

Wykład 16: Optyka falowa

Ćwiczenie 25. Interferencja fal akustycznych

Rozważania rozpoczniemy od fal elektromagnetycznych w próżni. Dla próżni równania Maxwella w tzw. postaci różniczkowej są następujące:

Wykład I Krzysztof Golec-Biernat Optyka 1 / 16

Wykład 20 FALE Procesy falowe. Fale poprzeczne i podłużne.

Wykład 3: Dźwięk Katarzyna Weron. WPPT, Matematyka Stosowana

AKUSTYKA. Matura 2007

Przykładowe poziomy natężenia dźwięków występujących w środowisku człowieka: 0 db - próg słyszalności 10 db - szept 35 db - cicha muzyka 45 db -

Drania i fale. Przykład drgań. Drgająca linijka, ciało zawieszone na sprężynie, wahadło matematyczne.

Wykład 16: Optyka falowa

WYZNACZENIE GĘSTOŚCI MATERIAŁU STRUNY

Prosty oscylator harmoniczny

Fizyka elektryczność i magnetyzm

Mapa akustyczna Torunia

WŁASNOŚCI FAL (c.d.)

Rozdział 9. Fale w ośrodkach sprężystych

LASERY I ICH ZASTOSOWANIE

Ruch drgajacy. Drgania harmoniczne. Drgania harmoniczne... Drgania harmoniczne... Notatki. Notatki. Notatki. Notatki. dr inż.

Badanie roli pudła rezonansowego za pomocą konsoli pomiarowej CoachLab II

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 2, Radosław Chrapkiewicz, Filip Ozimek

Fale biegnące. y t=0 vt. y = f(x), t = 0 y = f(x - vt), t ogólne równanie fali biegnącej w prawo

Fal podłużna. Polaryzacja fali podłużnej

MECHANIKA 2. Drgania punktu materialnego. Wykład Nr 8. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

LASERY I ICH ZASTOSOWANIE W MEDYCYNIE

Oscylator wprowadza lokalne odkształcenie s ośrodka propagujące się zgodnie z równaniem. S 0 amplituda odkształcenia. f [Hz] - częstotliwość.

FALE AKUSTYCZNE. Wytwarzanie fali akustycznej

Fala na sprężynie. Projekt: na ZMN060G CMA Coach Projects\PTSN Coach 6\ Dźwięk\Fala na sprężynie.cma Przykład wyników: Fala na sprężynie.

Fizyka. dr Bohdan Bieg p. 36A. wykład ćwiczenia laboratoryjne ćwiczenia rachunkowe

Wyznaczanie prędkości rozchodzenia się dźwięku w powietrzu i w ciele stałym

Badanie widma fali akustycznej

ZJAWISKA FIZYCZNE ZWIĄZANE Z POWSTAWANIEM I PROPAGACJĄ FAL DŹWIĘKOWYCH.

SCENARIUSZ LEKCJI Z FIZYKI DLA KLASY III GIMNAZJUM. Temat lekcji: Co wiemy o drganiach i falach mechanicznych powtórzenie wiadomości.

Wyznaczanie prędkości dźwięku

Transkrypt:

RUCH FALOWY -cd Wykład 9 2008/2009, zima 1

Energia i moc (a) dla y=y m, E k =0, E p =0 (b) dla y=0 drgający element liny uzyskuje maksymalną energię kinetyczną i potencjalną sprężystości (jest maksymalnie rozciągnięty) energia kinetyczna elementu liny o masie dm i prędkości poprzecznej du dm dx de k 1 2 dmu 2 liniowa gęstość masy Wykład 9 2008/2009, zima 2

ale prędkość poprzeczna elementu liny y( x, t) ym sin(k x t) y u ym cos( k x t) t Podstawiając Szybkość, z jaką przenoszona jest energia kinetyczna 1 2 ) cos 2 m dek ( dx) ( y 2 dek dx ( ) ( y dt 2 dt 1 2 ) cos 2 m ( k ( k x t) x t) Średnia szybkość, z jaką przenoszona jest energia kinetyczna de dt k 1 2 ( v) ( y m ) 2 cos 2 ( k x t) 1 v 4 2 y 2 m Wykład 9 2008/2009, zima 3

Średnia moc P de dt 1 2 k 2 2 2 v ym Czynniki μ oraz v zależą od materiału i naprężenia liny natomiast ω i y m - od sposobu powstawania fali. Zależność średniej mocy fali od kwadratu amplitudy oraz od kwadratu częstości ma charakter ogólny i obowiązuje dla wszystkich rodzajów fal Wykład 9 2008/2009, zima 4

ZADANIE DOMOWE-6 Rozciągnięta lina o gęstości liniowej μ=525 g/m została naprężona siłą T=45N. Wytwarzamy falę sinusoidalną o częstotliwości f=120 Hz i amplitudzie y m =8,5 mm, biegnącą wzdłuż liny od jednego z jej końców. Wyznacz średnią szybkość przenoszenia energii przez falę. Wykład 9 2008/2009, zima 5

Fala dźwiękowa przemieszczenie s( x, t) sm cos(k x t) zmiana ciśnienia p( x, t) pm cos(k x t) amplituda zmian ciśnienia p ( v ) m s m prędkość fazowa gęstość gazu częstość amplituda przemieszczenia Wykład 9 2008/2009, zima 6

Przykład 2: Maksymalna amplituda zmian ciśnienia Δp m, jaką ludzkie ucho może wytrzymać w postaci głośnego dźwięku, jest równa około 28 Pa (jest ona znacznie mniejsza od normalnego ciśnienia powietrza równego 10 5 Pa). Znajdź amplitudę przemieszczenia s m dla takiego dźwięku w powietrzu o gęstości ρ=1,21 kg/m 3, przy częstotliwości 1000 Hz i prędkości 343 m/s Dane: Δp m = 28 Pa ρ = 1,21 kg/m 3 f = 1000 Hz v = 343 m/s s m Rozwiązanie: pm v ρω s m =11 μm pm v ρ (2 π f ) Szukane: s m Amplituda przemieszczenia dla najgłośniejszego dźwięku, jaki może znieść ludzkie ucho, jest bardzo mała. Wykład 9 2008/2009, zima 7

ZADANIE DOMOWE-7 Przeprowadzając podobne obliczenia wykazać, że dla najsłabszego słyszalnego dźwięku o częstotliwości 1000 Hz, amplituda przemieszczenia wynosi 11 pm podczas gdy amplituda zmian ciśnienia wynosi 2,8 10-5 Pa. Wykład 9 2008/2009, zima 8

Natężenie dźwięku I r P S moc Natężenie I fali dźwiękowej na pewnej powierzchni jest to średnia szybkość w przeliczeniu ma jednostkę powierzchni, z jaką fala dostarcza energię do tej powierzchni (lub przenosi przez nią energię). pole powierzchni I P 2 4 π r dla fali emitowanej izotropowo Podobnie jak dla fali w strunie I 1 2 ρ vω 2 s m 2 Wykład 9 2008/2009, zima 9

Natężenie dźwięku Wykład 9 2008/2009, zima 10

Subiektywnie odczuwalne natężenie dźwięku, tak zwany poziom natężenia określamy na podstawie prawa Webera i Fechnera. Zmiana intensywności subiektywnego wrażenia dźwiękowego wywoływanego przez dwa dźwięki jest proporcjonalna do logarytmu natężeń porównywanych dźwięków. Krzywa czułości ucha Ucho ludzkie charakteryzuje się różną czułością dla różnych częstotliwości dźwięku Natężenie I o =10-12 W/m 2 o częstotliwości 1 khz nazywamy natężeniem poziomu zerowego Wykład 9 2008/2009, zima 11

Skala subiektywnego natężenia dźwięku Poziom natężenia Λ gdy η=1, jednostką jest 1B (bel) gdy η=10, jednostką jest 1dB (decybel) log I I o gdy I zwiększa się o rząd wielkości, Λ zwiększa się o 10 db 120 db górna granica słyszalności dla 1 khz próg słyszalności szum liści rozmowa koncert rockowy granica bólu 0 db 10 db 60 db 110 db 120 db silnik odrzutowy 130 db Wykład 9 2008/2009, zima 12

Głośność dźwięku Dwa dźwięki o tym samym natężeniu lecz o różnych częstotliwościach nie wydają się nam tak samo głośne, np. dźwięk o częstotliwości 1 khz odczujemy jako głośniejszy od dźwięku o częstotliwości 0.5 khz mimo, że w skali decybelowej będą miały jednakowy poziom natężenia. Głośność dźwięku wyrażamy w fonach. Dany dźwięk ma głośność n fonów, jeżeli słyszymy go tak samo głośno, jak dźwięk o natężeniu subiektywnym n decybeli i częstotliwości 1 khz. 20 fonów odpowiada 200 Hz 1000 Hz 3000 Hz 10 000 Hz 40 db 20 db 15 db 32 db Wykład 9 2008/2009, zima 13

Fala elektromagnetyczna widmo promieniowania Czułość oka ludzkiego w zakresie widzialnym Wykład 9 2008/2009, zima 14

ZJAWISKA FALOWE: interferencja dyfrakcja polaryzacja ale także: załamanie, rozszczepienie, odbicie, transmisja, absorpcja Wykład 9 2008/2009, zima 15

ZASADA SUPERPOZYCJI FAL Często się zdarza, że dwie lub więcej fal przechodzi równocześnie przez ten sam obszar. Fale te nakładają się, w żaden sposób nie wpływają na siebie wzajemnie a zaburzenia dodają się algebraicznie tworząc falę wypadkową. y w (x,t)=y 1 (x,t)+y 2 (x,t) Wykład 9 2008/2009, zima 16

Demonstracja Wykład 9 2008/2009, zima 17

Doświadczenie Younga Gap ~ 5 Wykład 9 Gap ~ 2 2008/2009, zima Gap < 1 18

Wzmocnienie (interferencja konstruktywna) lub osłabienie (interferencja destruktywna) Skutki superpozycji fal Dudnienia Dudnienia Wykład 9 2008/2009, zima 19

Zakładamy, że dwie sinusoidalne fale o tej samej długości i amplitudzie biegną wzdłuż napiętej liny w tym samym kierunku. Fale te interferują ze sobą dają wypadkową falę sinusoidalną biegnącą w tym samym kierunku. Amplituda fali wypadkowej zależy od względnej różnicy faz fal interferujących. y1( x, t) ym sin( k x ω t) y2( x, t) ym sin( kx ω t φ) 1 1 y y1( x, t) y2( x, t) 2ym cos( φ) sin( k x ω t φ) 2 2 amplituda Wykład 9 2008/2009, zima 20

Interferencja konstruktywna wzmocnienie, gdy φ 0 amplituda wypadkowa jest dwukrotnie większa niż amplituda każdej z fal interferujących y ' m 2y m cos 1 2 φ 2y m Wykład 9 2008/2009, zima 21

Interferencja destruktywna całkowite wygaszenie, gdy φ 180 amplituda wypadkowa wynosi zero y ' m 2y m 1 cos( 2 φ) 0 Wykład 9 2008/2009, zima 22

Metoda wektora wirującego - wskazy Wskaz jest wektorem o długości równej amplitudzie fali, który obraca się wokół początku układu współrzędnych. Prędkość kątowa wskazu jest równa częstości kołowej ω. φ φ y1( x, t) ym 1 sin( k x ω t) y2( x, t) ym2 sin( k x ω t ) β y ' ( x, t) y ' m sin( k x ωt ) Metodą wskazów można się posługiwać nawet gdy y m1 jest różne od y m2 Wykład 9 2008/2009, zima 23

Fala stojąca Fala stojąca powstaje gdy dwie sinusoidalne fale o tej samej długości i amplitudzie biegną wzdłuż napiętej liny w przeciwnym kierunku. y1( x, t) ym sin( kx ωt) y2( x, t) ym sin( kx ω t) Można pokazać, że: 2 y sin( k x) cos(ω ) y y m 1 y2 t amplituda fali Wykład 9 2008/2009, zima 24

Fala stojąca węzły strzałki Położenia węzłów i strzałek nie ulegają zmianie. Amplituda fali zależy od położenia Wykład 9 2008/2009, zima 25

Rezonans Położenia węzłów są opisane relacją: x n λ gdzie n=0,1,2,. Rezonans występuje gdy przy pewnych częstościach w wyniku interferencji powstaje fala stojąca o dużej amplitudzie Struna wykazuje rezonans przy pewnych częstościach zwanymi częstościami rezonansowymi Wykład 9 2008/2009, zima 26

gdzie n=1,2,3. Rezonans Narzucając warunki brzegowe (np. węzły na końcach struny) wprowadzamy kwantyzację długości fali lub częstości. warunki brzegowe: dla x=0 y=0 i dla x=l y=0 warunek kwantyzacji długości fali λ n Wykład 9 2008/2009, zima 27 2L n warunek kwantyzacji częstości n v n 2 L prędkość

Częstości rezonansowe są całkowitymi wielokrotnościami najniższej częstości. 1 v 2L Drganie własne o tej częstotliwości nazywamy modem podstawowym lub pierwszą harmoniczną Szereg harmoniczny czy zbiór wszystkich możliwych drgań własnych n n 1 liczba harmoniczna Wykład 9 2008/2009, zima 28

Cechy dźwięku: wysokość częstotliwość tonu podstawowego głośność kwadrat amplitudy barwa zawartość tonów harmonicznych a) flet b) obój c) saksofon Wykład 9 2008/2009, zima 29

Efekt Dopplera Wykład 9 2008/2009, zima 30

Efekt Dopplera gdy porusza się obserwator - Obserwator porusza się do nieruchomego źródła Na skutek ruchu napotka większą ilość frontów fali na jednostkę czasu Częstość słyszana wzrośnie - Obserwator porusza się od nieruchomego źródła Na skutek ruchu zarejestruje mniejszą ilość frontów fali na jednostkę czasu Częstość słyszana zmaleje Wykład 9 2008/2009, zima 31

Efekt Dopplera gdy porusza się źródło dźwięku - Źródło porusza się do nieruchomego obserwatora Długość fali wyda się obserwatorowi krótsza i częstość słyszana wzrośnie - Źródło porusza się od nieruchomego obserwatora Długość fali wyda się obserwatorowi większa zatem częstość słyszana zmaleje Wykład 9 2008/2009, zima 32

Efekt Dopplera gdy porusza się zarówno obserwator (v o ) jak i źródło dźwięku (v ź ) Częstość generowana przez źródło Częstość obserwowana ` związane są relacją: o ź Znak v o i v ź jest dodatni gdy ruch jest do siebie Znak v o i v ź jest ujemny gdy ruch jest od siebie Wykład 9 2008/2009, zima 33

ZADANIE DOMOWE ZADANIE DOMOWE-8 Dwa pociągi jadą naprzeciwko siebie z tą samą prędkością. Maszynista jednego z nich słyszy gwizd lokomotywy drugiego pociągu z częstością 1.2 razy wyższą niż gdyby go słyszał gdyby oba pociągi stały. Prędkość dźwięku v = 330 m/s. Z jaką prędkością porusza się każdy z pociągów Wykład 9 2008/2009, zima 34