Тема:. Хвилі. Звукові хвилі.
Мета уроку: навчити використовувати на практиці здобуті знання, вміння і навички
розвинути логічне мислення і методи розв’язку задач
виховати любов до науки
Обладнання уроку: камертон, плакати і інші підручні засоби.
Тип уроку: лекція з елементами бесіди.
Вид уроку: вивчення нового матеріалу.

Планування уроку:
1.    Організаційна частина     (       )
2.    Актуалізація опорних знань (       )
3.    Пояснення нового матеріалу (       )
4.    Закріплення нового матеріалу (       )
5.    Підведення підсумків (       )

План уроку
1.    Хвилі. Види хвиль, довжина хвиль. Швидкість поширення хвиль.
2.    Звукові хвилі. Швидкість звуку. Гучність звуку і висота тону. Звукові явища, резонанс, луна. Інфразвук та ультразвук.
3.    Екологічні проблеми.
4.    Домашнє завдання.

Хід уроку
І. Організаційна частина.
Заходжу в клас, вітаюся з учнями та перевіряю присутніх і їх готовність до уроку.
ІІ. Актуалізація опорних знань.
А зараз ми з вами поговоримо про хвилі.

Дайте, будь-ласка, відповіді на такі запитання:
1.    Що таке коливання?
(Під коливанням слід розуміти будь-яку періодичну зміну деякої величини, тобто таку зміну, при якій значення цієї величини через певний інтервал часу, який називають періодом коливань, повторюється.)
2.    Що таке затухаючі коливання?
(Затухаючі коливання – це коливання з амплітудою, яка зменшується.)
3.    За яких умов вони виникають?
(За умови припинення дії будь-яких сил.)
4.    Що таке вільні коливання?
(Коливання із сталою амплітудою в системах, що не зазнають дії зовнішніх сил)
5.    Що таке період коливання?
(Тривалість одного повного коливання називають періодом коливання.)

ІІІ. Пояснення нового матеріалу
Хвилі. Види хвиль, довжина хвиль. Швидкість поширення хвиль.
Що ж називається хвилею? Хвилею називаються коливання, які поширюються з часом у просторі.
У повітрі, твердих тілах і всередині рідин механічні хвилі виникають внаслідок дії сил пружності Ці сили зв'язують окремі частинки тіла. В утворенні хвиль на поверхні води має значення сила тяжіння.
Найбільш наочно основні особливості хвильового руху можна побачити на прикладі хвиль на поверхні води. Хвилі здаються округлими валами, що рухаються вперед, причому відстані між валами, або гребенями, приблизно однакові. Але якщо кинути у воду легкий предмет, наприклад сірникову коробку, то він не відноситиметься хвилею вперед, а почне коливатися вгору і вниз, залишаючись майже на одному місці.
Під час поширення хвилі переміщується певний стан середовища, яке коливається, але не переноситься речовина. Коливання води, які виникли в одному місці, наприклад від кинутого каменя, передаються сусіднім ділянкам і поступово поширюються в усі боки, захоплюючи у коливальний рух усе нові й нові частинки середовища. Але вода при цьому не тече: переміщується лише форма поверхні води.
Швидкість хвилі. Важливою характеристикою хвилі є швидкість її поширення. Хвилі будь-якої природи не поширюються в просторі вмить, їх швидкість скінчена. Можна собі, наприклад, уявити, як над морем летить чайка весь час над одним і тим самим гребенем хвилі. Швидкість хвилі в цьому випадку дорівнюватиме швидкості чайки. Хвилі на поверхні води зручні для спостереження через те, що швидкість їх поширення невелика.
Поперечні і поздовжні хвилі. Неважко також спостерігати хвилі, які поширюються вздовж гумового шнура. Якщо один кінець шнура закріпити і, злегка натягнувши шнур рукою за другий кінець, надати йому коливального руху, то по шнуру побіжить хвиля (мал. 1). Швидкість хвилі буде тим більша, чим сильніше натягнуто шнур. Хвиля добіжить до точки закріплення шнура, відіб’ється й побіжить назад. Тут під час поширення хвилі змінюється форма шнура. Кожна ділянка шнура коливається відносно свого незмінного положення рівноваги. Зверніть увагу на те, що під час поширення хвилі вздовж шнура окремі ділянки його коливаються в напрямі, перпендикулярному до напряму поширення хвилі (мал. 2). Такі хвилі називаються поперечними.
Але не всяка хвиля – поперечна. Коливання можуть відбуватися і вздовж напряму поширення хвилі. Тоді хвиля називається поздовжньою. Поздовжню хвилю зручно спостерігати за допомогою довгої м’якої пружини великого діаметра. Ударивши долонею по одному з кінців пружини (мал. 3,а), можна помітити, як стиск (пружний імпульс) біжить по пружині.
Серією послідовних ударів можна збудити в пружині хвилю, що являтиме собою послідовні стиски й розтяги пружини, які біжать один за одним (мал. 3,б). Будь-який виток пружини коливається в напрямі поширення хвилі.
Довжина хвилі. Якщо примусити кінець розтягнутого гумового шнура коливатися гармонічно з певною частотою  , то ці коливання поширюватимуться вздовж шнура. При цьому коливання будь-якої ділянки шнура відбуваються з такою самою частотою й амплітудою, як і коливання кінця шнура. Але тільки ці коливання зсунуті за фазою між собою. Подібні хвилі називають монохроматичними.
Якщо зсув фаз між коливаннями двох точок шнура дорівнює  , то ці точки коливаються цілком однаково: адже  . Такі коливання називають синфазними (відбуваються в однакових фазах).
Відстань між найближчими точками, які коливаються в однакових фазах, називають довжиною хвилі.
Зв'язок між довжиною хвилі  , частотою   і швидкістю поширення хвилі  . За один період коливань хвиля поширюється на відстань  . Тому її швидкість визначається формулою
.
Оскільки період   і частота   зв'язані співвідношенням , то
.
Швидкість поширення хвилі дорівнює добутку її довжини на  частоту коливань.
Під час поширення хвилі в шнурі спостерігається двояка періодичність.
По-перше, кожна частинка шнура періодично коливається в часі У випадку гармонічних коливань (ці коливання відбуваються за синусоїдним або косинусоїдним законом) частота і амплітуда коливань однакові в усіх точках. Коливання відрізняються тільки фазами.
По-друге, в даний момент часу форма хвилі повторюється в просторі через відрізки шнура довжиною  . На малюнку 4 показано профіль хвилі в певний момент часу (чорна лінія). З часом уся ця картина переміщується із швидкістю   зліва направо. Через інтервал часу   хвиля матиме вигляд, зображений на тому самому малюнку синьою лінією.
Звукові хвилі
Людина живе у світі звуків. Звуки – це те, що чує вухо. Ми чуємо голоси людей, спів птахів, звуки музичних інструментів, шум лісу, грім під час грози. Гуркочуть машини, які працюють, рухомий транспорт і т. д.
Що таке звук? Як він виникає? Чим одні звуки відрізняються від інших?
Розділ фізики, в якому вивчаються звукові явища, називається акустикою.
Звук – це хвиля. Почувши який-небудь звук, ми звичайно можемо встановити, що він дійшов до нас від якогось джерела. Розглядаючи по джерело, ми завжди знайдемо, що в ньому щось коливається Якщо, наприклад, звук надходить від репродуктора, то в ньому коливається мембрана – легкий диск, закріплений вздовж його кола. Якщо цей звук дає музичний інструмент, то джерело звуку – струна, що коливається, стовп повітря, що коливається, і т. п.
Але як звук доходить до нас? Очевидно, через повітря, яке розділяє вухо і джерело звуку. Проте коливання, що поширюються – не хвилі. Отже, звук поширюється у вигляді хвиль. І дещо про звукові хвилі можна відразу сказати. Оскільки звукова хвиля поширюється в повітрі, не означає, що хвиля поздовжня, бо в газі можуть поширюватися тільки такі хвилі.
У поздовжніх хвилях коливання частинок приводять до того, що в газі виникають ділянки згущень і розріджень, які змінюють одна одну На малюнку 5 зображено таку хвилю із згущень і розріджень.
Те, що повітря – «провідник» звуку, було доведено на досліді, який поставив у 1660 р. Р. Бойль. Якщо відкачати повітря з-під ковпака повітряного насоса, то ми не почуємо звучання електричного дзвоника, розміщеного під ним.
Звук може поширюватися також і в рідкому, і в твердому середовищі. Той, хто пірнав у річку або море, знає, що під водою добре чути звуки гребних гвинтів теплоходів, удари каменів тощо. Звук поїзда, який рухається, добре чути, якщо прикласти вухо до рейки.
Звукові частоти. Якщо звук – це хвиля, що поширюється в повітрі, то він повинен виникати щоразу, коли частинки повітря починають коливатися. Наприклад, розмахування руками також повинно було б спричиняти звук: адже, махаючи руками, ми змушуємо частинки повітря коливатися. Проте відомо, що розмахування руками не сприймається вухом як звук, хоч хвиля при ньому виникає. Це пояснюється тим, що відчуття звуку виникає тільки при певних частотах коливань у хвилі. Дослід показує, що для органу слуху людини звуковими е тільки такі хвилі, а яких коливання відбуваються з частотами від 20 до 20000 Гц. Розмахувати руками 20 і більше раз за секунду ніхто не може!
Відчуття  звуку спричинюєтеся звуковими хвилями, що досягли органу слуху – вуха. Важлива частина цього органу – барабанна перетинка. Звукова хвиля, що надійшла, спричиняє вимушені коливання перетинки з частотою коливань у хвилі, їх і сприймає мозок як звук.
Звуки бувають різні. Ми легко розрізняємо свист і барабанний дріб, чоловічий голос (бас) і жіночий (сопрано).
Тон звуку. Про одні звуки кажуть, що вони низького тону. інші називають звуками високого тону. Вухо їх легко розрізняє. Звук, що його утворює великий барабан, – це звук низького тону, свист – звук високого тону. Прості вимірювання (розгортка коливань) показують, що звуки низьких тонів – це коливання малої частоти в звуковій хвилі. Звукам високого тону відповідає більша частота коливань. Частота коливань у звуковій хвилі визначає тон звуку.
Існують особливі джерела звуку, що утворюють єдину частоту, – так званий чистий тон. Це камертони різних розмірів – прості пристрої, що являють собою зігнуті металеві стержні на ніжках (мал. 5). Чим більші розміри камертона, тим нижчий звук, який виникає після удару по ньому.
Гучність звуку. Звуки навіть одного тону можуть бути різної гучності. З чим пов'язана ця характеристика звуку? Легко зрозуміти, що вона пов'язана з енергією коливань у джерелі і у хвилі. А енергія коливань визначається амплітудою коливань.
Отже, гучність звуку залежить від амплітуди коливань. Проте зв'язок між гучністю і амплітудою не простий.
Найслабкіший ледве чутний звук, що дійшов до барабанної перетинки, приносить за 1 с енергію, яка дорівнює приблизно 10-16 Дж, а найгучніший звук (реактивного ракетного двигуна в кількох метрах від нього) – близько 10-4 Дж. Отже, за потужністю найгучніший звук приблизно в тисячу мільярдів разів перевищує найслабкіший. Проте цього не можна сказати про гучність звуку. Про звуки взагалі не можна говорити, що один з них у два, у три, а тим більше в мільйони чи в мільярди разів гучніший від іншого. Про звуки різної гучності кажуть, що один гучніший від іншого не в стільки-то разів, а на стільки-то одиниць. Одиницею гучності є децибел (дБ). Наприклад, гучність звуку шелестіння листя оцінюється в 10 дБ, шепотіння – 20 дБ, вуличного шуму – 70 дБ. Шум гучністю 130 дБ відчувається шкірою і спричиняє відчуття болю. Про гучність вуличного шуму можна, наприклад, сказати, що вона на 60 дБ більша від гучності шелестіння листя.
Швидкість звуку. Як і будь-яка хвиля, звукова хвиля характеризується швидкістю поширення коливань у ній. З довжиною хвилі   і частотою коливання   швидкість   пов'язана вже відомою нам формулою  .
Швидкість звуку різна в різних середовищах (речовинах). Так, у повітрі при температурі 20 °С швидкість звукових хвиль (будь-яких довжин хвиль) дорівнює 340 м/с. В інших середовищах вона буде іншою. У таблиці подано дані про швидкості звуку в різних середовищах.




Речовина.    Швидкість звуку, 

Повітря (при 20º)
Водень
Вода (при 20º)
Морська вода
Гума
Залізо    343,1
1284
1483
1530
1800
5850

Частинки рідини, в якій поширюється звукова хвиля, здійснюють вимушені коливання з частотою, що «нав'язана» їм коливаннями в джерелі звуку. Проте довжина хвилі навіть того самого звуку в різних середовищах різна, бо різні швидкості звуку.
Відбивання звуку. Поширюючись у деякому середовищі, звукова хвиля рано чи пізно дійде до межі цього середовища, а за нею починається інше середовище, яке складається з інших частинок, у якому й швидкість звуку інша. На такій межі спостерігаєтеся явище відбивання звукової хвилі.
Чому відбивається звук? Це відбувається тому, що коливання, перенесені хвилею до межі, передаються частинкам другого середовища, а вони самі стають джерелом нової звукової хвилі. Ця вторинна хвиля поширюється не тільки у другому середовищі, а й у першому, звідки надійшла первинна хвиля. Це і є відбита хвиля.
З явищем відбивання звуку пов'язане таке відоме явите, як луна. Вона полягає в тому, що звук від джерела доходить до якоїсь перешкоди («перешкода» – не і є межа двох середовищ) підбивається від неї і повертається до того місця, де він виник. І якщо первинний звук і відбитий звук доходять до слухача не одночасно, то він почує звук двічі. 3вук може зазнати також кількох відбивань
Тоді можна почути звук багато разів – звідси, наприклад, гуркотіння грому.
Звукова локація. На явищі луни ґрунтується метод визначення відстаней до різних предметів і виявлення їх місцеположення. Справді, припустимо, що деяке джерело звуку дало звуковий сигнал, і зафіксовано момент подачі сигналу. Звук зустрів якусь перешкоду, відбився від неї, повернувся і був зафіксований приймачем звуку. Якщо при цьому було виміряно проміжок часу між моментами подачі й приймання звуку, то легко знайти і відстань до перешкоди. За виміряний час звук пройшов відстань  , де   – відстань до перешкоди. Якщо швидкість звуку   відома. то можна записати:
, або  .
За цією формулою можна знайти відстань до відбивача сигналу. Проте ще треба знати, де він знаходиться, в якому напрямі від джерела сигнал зустрів його. Між тим, звук поширюється в усіх напрямах, і відбитий сигнал міг надійти з різних сторін. Щоб уникнути цієї трудності, використовують не звичайний звук, а ультразвук.
Ультразвукові хвилі за своєю природою такі самі, як і звукові, але їх не сприймає людина як звук. Це пояснюється тим, що частота коливань у них більша, ніж 20000 Гц. Такі хвилі спостерігаються в природі. Є навіть живі істоти, здатні їх утворювати і приймати. Ультразвукові хвилі і притому великої потужності (великої амплітуди) можна створювати за допомогою електричних і магнітних методів.
Головна особливість ультразвукових хвиль полягає в тому, що їх можна зробити напрямленими, що поширюються в певному напрямі від джерела. Завдяки цьому за відбиванням ультразвуку можна не тільки знайти відстань (швидкість ультразвукових хвиль така сама, як і звичайних), а й дізнатися, де знаходиться той предмет, що їх відбив. Так можна, наприклад, виміряти глибину моря під кораблем.
Звуколокатори (їх називають також ехолокаторами) дають змогу виявляти і визначати місцеположення різних пошкоджень у виробах (порожнечі, тріщини, сторонні включення). У медицині ультразвук використовують для виявлення різних аномалій у тілі хворого – пухлин, спотворень форми органів або їх частин тощо. Чим коротша довжина ультразвукової хвилі, тим менші розміри деталей, що виявляються. Ультразвук використовується також для лікування деяких захворювань.
Акустичний резонанс. Звукові коливання, що їх переносить звукова хвиля, можуть діяти як вимушуюча, періодично змінна сила для коливальних систем і спричиняти в цих системах явище резонансу, тобто змусити їх звучати. Такий резонанс називають акустичним резонансом. Наведемо простий приклад. Вище ми згадували про пристрій для утворення чистого тону, тобто звуку однієї частоти, – камертон Сам по собі цей прилад дає дуже слабкий звук, оскільки площа поверхні ніжок камертона, які коливаються і дотикаються до повітря, мала і коливального руху набувають занадто мало частинок повітря. Тому камертон звичайно закріплюють на дерев'яному ящику, який підбирають так, щоб частота його власних коливань дорівнювала частоті звуку, утворюваного камертоном. Завдяки резонансу стінки ящика також починають коливатися з частотою камертона.
Це коливання великої амплітуди (резонанс), та й площа поверхні ящика велика, тому звук камертона буде значно гучнішим. Ящик так і називають – резонатором. У музичних інструментах без резонаторів також не можна обійтися. Ними е деки. Без дек, від одних .лише струн, звуків було б майже не чутно. Порожнина рота людини – також резонатор для голосових зв'язок
IV. Закріплення нового матеріалу.
А зараз я задам вам ряд питань, на які ви повинні дати відповідь.
1. Що називається хвилею?
Хвилею називаються коливання, які поширюються з часом у просторі.
2. Що є характерним для хвилі?
Під час поширення хвилі переміщується певний стан середовища, яке коливається, але не переноситься речовина.
3. Які є види хвиль?
Поперечні і поздовжні.
4. Які коливання називаються синфазними?
Якщо зсув фаз між коливаннями двох точок шнура дорівнює  , то ці точки коливаються цілком однаково: адже  . Такі коливання називають синфазними (відбуваються в однакових фазах).
5. Напишіть формулу швидкості хвилі?

6. Які коливання називаються монохроматичними?
Якщо коливання зсунуті за фазою між собою, то подібні хвилі називають монохроматичними.
6.    Що таке звук?
Звук – це хвилі.
7. Що таке відбивання звуку?
Поширюючись у деякому середовищі, звукова хвиля рано чи пізно дійде до межі цього середовища, а за нею починається інше середовище, яке складається з інших частинок, у якому й швидкість звуку інша. На такій межі спостерігаєтеся явище відбивання звукової хвилі.
8. Головна особливість ультразвукових хвиль?
Головна особливість ультразвукових хвиль полягає в тому, що їх можна зробити напрямленими, що поширюються в певному напрямі від джерела.

9. Де використовують звуколокатори?
Звуколокатори (їх називають також ехолокаторами) дають змогу виявляти і визначати місцеположення різних пошкоджень у виробах, застосовуються у медицині для виявлення різних аномалій у тілі хворого – пухлин, спотворень форми органів або їх частин тощо
10. Що таке акустичний резонанс?
Звукові коливання, що їх переносить звукова хвиля, можуть діяти як вимушуюча, періодично змінна сила для коливальних систем і спричиняти в цих системах явище резонансу, тобто змусити їх звучати. Такий резонанс називають акустичним резонансом
V. Підведення підсумків уроку.
Молодці, ви сьогодні дуже добре попрацювали на уроці.
А тепер запишіть будь-ласка в щоденники домашнє завдання.    Урок закінчено. До побачення.






Підпис студента: _______________________
Підпис вчителя: ________________________