UNDE MECANICE

1PROFESOR: CSUPOR RODICA

UNDE MECANICE

2

1. Unde mecanice

2. Unde mecanice - abordare interdisciplinara georafie

3. Producerea si perceptia sunetelor – abordare interdisciplinara biologie

4. Propagarea sunetelor. Ecoul

5. Caracteristici ale sunetului – abordare interdisciplinara muzica

6. Exercitii .

7. Bibliografie ( predarea acestui capitol a fost conceputa cu referire lamanual fizica clasa a VII a – Victor Stoica, Florin Macesanu)

1. UNDE MECANICE• Realizati experimentele sugerate la pag.123

• Def. : Oscilația mecanică reprezintă mișcarea simetrică a unui sistem fizic față de o poziție de echilibru, repetată periodic.

Ex. miscarea dus-intors a unui pendul, miscarea oscilatorie a unui pendul elastic(resort)

Pendul elastic Pendul gravitational Ex.1 pag.136

3

1.PERIOADA DE OSCILAȚIE, T

4

1. Def. Perioada , T este timpul în care un sistem fizicefectuează o mișcare completă (oscilație completă)

𝑇𝑇 = 𝑡𝑡𝑛𝑛; [T]si = s( secunda)

n – nr. de oscilații complete; T – perioada; t- timpul

A) Perioada de oscilație a unui resort de care se atârnă un corp de masă m • 𝑇𝑇 = 2𝜋𝜋 𝑚𝑚

𝑘𝑘

5

k – constanta elastică a resortuluim – masa;

B) Perioada de oscilație a unui pendul gravitațional𝑇𝑇 = 2𝜋𝜋 𝑙𝑙

𝑔𝑔l – lungimea pendulului

2. FRECVENȚA DE OSCILAȚIE, 𝝂𝝂• este mărimea fizică egala cu numărul de oscilații efectuate în

unitatea de timp si se notează cu lit. grecească ν (niu) .

• 𝜈𝜈 = 1𝑇𝑇

𝜈𝜈 = 𝑛𝑛𝑡𝑡

• [ν]SI = 1𝑠𝑠

= Hz( Hertz)

n - numărul de oscilații complete

t- timp

• Ex. calculati frecventa unei oscilatii cu perioada de 2 secunde;6

UNDE MECANICE - ABORDARE INTERDISCIPLINARAGEORAFIE

• Unda mecanică este fenomenul de propagare a unei oscilații printr-un mediu material , procesînsoțit de un transport de energie.

• Undele mecanice pot fi:

A)unde longitudinale, perturbația se propagă pe aceeași direcție cu direcția de oscilație a particulelor mediului ex. in resortul elastic

B) unde transversale, perturbația se propagă perpendicular pe direcția de oscilație a particulelormediului ex.undele de la suprafața apei sau undele dintr-o coardă a unei viori, chitara .

• OBS : Există situații în care propagarea undelor într-un mediu se face atât transversal, cât șilongitudinal. Ex. undele seismice care pot fi:

a)unde de volum, care traversează Pământul si pot fi:

• primare, unde P, sunt unde longitudinale ,sunt cele mai rapide v=6 km/s produc zgomotul care se poate auzi la începutul unui cutremur

7

• - secundare, unde S, sunt unde transversal, la trecerea lor mișcările solului se efectuează perpendicular pe sensul de propagare a undei.

• Undele de volum si de suprafata in cazul undelor seismice

8

• Vunde S= 4 km/s transportă majoritatea energiei mecanice rezultate din seism.

• -diferența de timp dintre venirea undelor P și venirea undelor S este relativmare; cunoscând viteza lor se poate localiza, cu ajutorul a trei seismografe, epicentrul seismului. Totodată, diferența între cele două viteze de propagarepermite aflarea momentului când va ajunge unda seismică.

• unde de suprafață, care se propagă la suprafața Pământului (vezi imaginea9 pag.126)

• Frontul de unda:toate punctele unui mediu la care ajunge unda la un moment dat și care oscilează apoi la fel (priviti fig.8 pag 126)

9

PRODUCEREA SI PERCEPTIA SUNETELOR-ABORDARE INTERDISCIPLINARA BIOLOGIE

• Instaleaza pe telefon o aplicatie de tip generator de sunete

• Cititi experimentele de la pag.128 ,129 iar unuldintre ele incercati sa il realizati.

10

METODA SINELG

• Citeste de la pag.130 rubrica “Retin” si completeaza un tabel de forma celuide mai jos tinand cont de urmatoarele precizari:

√ dacă ceva din ce ai citit confirmă ceea ce ştiai ;.

– dacă o anumită informaţie pe care ai citit-o contrazice sau diferă de ceea ceştia ;

+ dacă o informaţie pe care ai întâlnit-o este nouă pentru tine;

? dacă găseşte informaţii care i se par confuze sau dacă doreşte să ştie mai multdespre un anumit lucru.

11

PRODUCEREA SI PERCEPTIA SUNETELOR√ – + ?

12

Intocmeste un eseu cu tema “Protejareasistemului auditiv” folosind informatiide pe Internet.identifica situatiilepericuloase cum ar fi utilizarea excesivaa castilor audio. Noteaza si propunemetode de evitare a situatiilor potential periculoase care ar pute duce la imbolnavirea urechii intalnite de tine sau de colegii tai in viata cotidiana.

Obs: - pe fiecare experiment se acorda 1 punct- pe eseu 1 punct

LUNGIMEA DE UNDA

• Def. : Lungimea de unda( notata cu litera grecesca lambda, λ) estedistanța parcursă de undă în timpul unei perioade de oscilație

• 𝜆𝜆 = 𝑣𝑣undă � 𝑇𝑇 = 𝑣𝑣undă𝜈𝜈

𝑣𝑣undă – viteza de propagare a undei𝜈𝜈 − 𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑣𝑣𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓

13

14

Obs.: in coardele unui instrument muzical se produc unde transversale numite unde stationarea) intr- o coarda elastica (ex. daca se ciupeste coarda unui instrument muzical) .chitara,vioara):

L=n 𝝀𝝀𝟐𝟐

L- lungimea corziiλ- lungimea de undan- nr.de fuse

Ex. daca se ciupeste usor coarda,se formeaza un singur fus ⇒ 𝒏𝒏 = 𝟏𝟏 𝒔𝒔𝒔𝒔 𝑳𝑳 = λ𝟐𝟐

b) La intsrumentele de suflat închise la un capăt( ex. un tub de orga):

𝑳𝑳 = 𝝀𝝀𝟒𝟒

EX. 3 PAG 136

• a)

15

Ex. 3 pag. 136 b) Cea mai mică frecvență de oscilație posibilă a uneia dintrecorzile unui violoncel este de 220 hz, iar lungimea corzii este de 70 de centimetri. Calculează viteza cu care se propagă oscilația în lungul corzii.

𝜈𝜈 = 220 𝐻𝐻𝐻𝐻;

L = 70 cm;

𝑣𝑣undă = ?

L = 70 cm = 0,7 m

𝜆𝜆 = 𝑣𝑣undă � 𝑇𝑇 = 𝑣𝑣undă𝜈𝜈

;

𝐿𝐿 = 𝑓𝑓 𝜆𝜆2

= 𝑓𝑓 𝑣𝑣undă2𝜈𝜈

n = 1, deci L = 𝑣𝑣undă2𝜈𝜈

,

v = 2L� 𝜈𝜈 = 2�0,7 �220 = 308 m/s

16

Ex. 4 pag. 136 :un tub de orgă, închis la un capăt, are lungimea de 3 metri. Știind că viteza sunetului în tub este de 340 m/s, calculeazăcea mai mică valoare a frecvenței sunetului pe care poate să-l producă tubul.

• L = 3 m;

• v = 340 m/s;

• 𝜈𝜈 = ?

• La intsrumentele de suflat închise la un capăt( ex. un tubde orga):

𝑳𝑳 =𝝀𝝀𝟒𝟒

𝜆𝜆 = 4𝐿𝐿 = 12 𝑚𝑚;

Dar 𝜆𝜆 = 𝑣𝑣undă � 𝑇𝑇 = 𝑣𝑣undă𝜈𝜈

;

Deci 𝜈𝜈 = 𝑣𝑣λ

= 34012

= 28,3 Hz

17

PROPAGAREA SUNETELOR.ECOULPriviti imaginile de la pag.131 din manual care apar si mai jos:

18

1 De ce nu se mai aude ticăitul ceasului după ce a fost scos aerul de sub clopotul de sticlă?2 Care este principalul fenomen fizic care ii permite delfinului să localizeze peștișorul?Incearcă să descrii o metodă prin care crezi că poate să aprecieze distanța care-l separăde peștișor.3 Cum funcționează sonarul? Incearcă să descrii principiul pe care-l folosește sonarul pentrucartografierea fundului oceanului.4 Care trebuie să fie viteza avionului pentru a fi considerat un corp supersonic?

19

sunetul se propaga in toate mediile materiale solide,lichide si gazoase sub forma de unda longitudinala;

viteza de propagarea sunetului depinde de caracteristicile mediului prin care se propaga

ex. vin aer = 343 m/s ; vin apa= 1498 m/s; vin otel= 5100 m/s viteza de propagare a sunetului in fluide creste o data cu cresterea

temperaturii; Sunetul , intocmai ca si lumina sufera fenomenul de reflexie, adica se intoarce

in mediul din care a venit astfel ca unghiul de incidenta (cel dintre undaincidenta si normala) este congruent cu unghiul de reflexie(dintre undareflectata si normala).

Ecoul este rezultatul reflexiei sunetului pe un obstacol indepartat- pentru a fi perceput,ecoul trebuie sa ajunga la ureche cel putin dupa o zecimede secunda fata de sunetul initial adica obstacolul sa se gaseasca la o distantade cel putin 17 mtema experimentala: ex.2 de la Aplicatie si investigatia de la pag. 133

CARACTERISTICILE SUNETULUI• descarcati-va pe telefon o aplicatie care sa masoare frecventa sunetului, le gasiti sub denumirea

generica de “ audio counter de frecventa”

FISA DE LUCRU:

• Observati imaginile de la pag.134

• Care este fenomenul care sta la baza functionarii acestor instrumente muzicale?

• Toba:

• Muzicuta:

• Vioara:

• Naiul:

• Realizati experimentul de la pag.134 urmand modul de lucru sugerat in manual.20

• Completati rezultatul determinarii intr-un tabel de forma celui de mai jos si treceti-l in caiete:

21

Nr.determinare Lungimea portiunii care oscileaza(cm)

Frecventaν (Hz)

Perioada T(s)

1.

2.

3.

Obs. : dupa cum ati invatat in lectiile anterioare ν = 1/T ;

Reprezentati grafic perioada de oscilatie in functie de lungimea portiunii care vibreaza

• Fenomenul care sta la baza functionarii instrumentelor muzicale este miscarea oscilatorie a membranelor elastice(toba,muzicuta), a corzilor(vioara,chitara), a aerului din tuburi(instrumentele de suflat)

• Caracteristicile sunetului:

1. Frecventa este marimea fizica egala cu nr.de oscilatii efectuate in unitatea de timp ,se noteazacu lit.gr.niu, ν si se masoara in Hz(hertz);

ν =1/T; T- perioada (s)

• Intensitatea(taria) sunetului este legata de energia medie a undelor transmisa pe unitatea de suprafata si pe unitatea de timp; se masoara in foni sau decibeli ,dB;

• Timbrul - complexul de însușiri care permit diferențierea unor surse sonore mai mult sau maipuțin asemănătoare;

Clasificarea sunetelor:

• Sunete cu spectru continuu- zgomote

• Sunete cu spectru discontinuu- sunete muzicale

22

EFECTUL DOPPLER;FENOMENUL DE REZONANTAEfectul Doppler - constă în variația frecvenței unei unde emise de o sursă dacă aceasta se află înmișcare față de receptor

• ex.cand se apropie de noi o masina de politie cu sirena pornita percepem diferit sunetul fata de situatia in care se indeparteaza

• Ef. Dopller isi are aplicatii in ultrasonografie (utilizarea sunetelor in punereadiagnosticului),radare,etc.

23

DISTANTA PARCURSA DE UNDA SONORA:• Distanta parcursa de o unda sonora ,d=λ= vsunet ∙T sau d= vsunet

ν• Daca sursa sonora se apropie , unda sonora are de parcurs o distanta mai mica deoarece si

sursa se deplaseaza) iar distanta parcursa de unda sonora va fi:

d'=λ- vsursa T= vsunet T- vsursa T =vsunetν

- vsursaν

(1);

dar d'= λ’⇒d '= vsunetν ’

(2) Egaland (1) cu (2) obtinem ν’ = ν 𝑣𝑣𝑠𝑠𝑠𝑠𝑛𝑛𝑠𝑠𝑡𝑡𝑣𝑣𝑠𝑠𝑠𝑠𝑛𝑛𝑠𝑠𝑡𝑡 − 𝑣𝑣 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠

• Daca sursa sonora se indeparteaza :

• d” = λ + vsursa T= vsunet T + vsursa T =vsunetν

+ vsursaν

(1)

• d”=λ”= vsunetν "

(2); Egaland (1)cu (2 )⇒ ν” = ν 𝑣𝑣𝑠𝑠𝑠𝑠𝑛𝑛𝑠𝑠𝑡𝑡𝑣𝑣𝑠𝑠𝑠𝑠𝑛𝑛𝑠𝑠𝑡𝑡+ 𝑣𝑣 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠

• Diferentele sunt date de faptul ca la apropierea sursei de oscilatii la viteza sunetului se adauga viteza masinii iar la indepartare se scade din viteza masinii cea a sunetul

24

Fenomenul de rezonanta

• Urmariti filmuletul de pe Discovery(Youtube) : Frecventa de rezonanta a paharelor

https://www.youtube.com/watch?v=r-VgeCC9xLE

Rezonanta este tendința unui sistem de a oscila cu o amplitudine mai mare la unele frecvențe decât la altele

• ex. leagănul pentru copii: impingând leagănul în concordanță cu frecvențarezonantă îl va face să atingă o amplitudine din ce în ce mai mare, în timp ceîmpingând leagănul într-un alt ritm va duce la o amplitudine scăzută. Motivuleste că energia acumulată de leagăn este maximă la frecvența rezonantă.

25

EXERCITII PAG. 136 MANUAL1. crengile, inima, vibratia in jurul unei pozitii fixe a ionilor dintr_un cristal, corzile vocale

• instrumentele muicale, pendulul, lama elastica de otel fixata la un capat, balansoarul

• Undele transporta energie,nu si substanta

• 2. undele de la suprafata apei,undele seismice….instrumentele muzicale, radarul, ecograful

26

Consideră că te afli într-un defileu delimitat de doi pereți verticali între care există un drum rectiliniu. La capătul drumului rectiliniu, chiar în fața ta, se aflăun perete vertical. Știind că viteza de propagare a sunetului în defileu este de 340 m/s, calculează la ce distanță te afli de peretele din față dacă produci un sunet scurt și percepi ecoul acestuia după o secundă.

v = 340 m/s; t = 1 s; d = ?

Sunetul parcurge distanța 2d

2d = v∙t; d = 𝑣𝑣�𝑡𝑡2

= 3402

= 170 m

27

Ex. 5 pag. 136:

28

Ex. 6 pag. 136Un elev care a absolvit clasa a VII-a se află în vacanța de vară la bunici. Într-una din zile are loc o furtună cu tunete și fulgere. Aducându-și aminte ce a învățat la fizică, încearcă să determine distanța la care se produce unul dintrefulgere. El constată că între momentul observării fulgerului și momentul încare aude tunetul a trecut un timp de 5 secunde. Citește temperatura indicatăde termometrul aflat în curtea casei, apoi caută pe internet un tabel din care poate aprecia viteza de propagare a sunetului pentru acel caz. Ajunge la concluzia că această viteză este de 350 m/s.a. Folosind doar datele din enunț, aproximează distanța la care s-a produs

fulgerul.b. Scrie o relație de calcul prin care poți determina, cât mai precis cu putință, distanța la care s-a produs fulgerul; această relație trebuie să țină cont de viteza de propagare a luminii, c = 300 000 km/s;c. Argumentează de ce rezultatele de la punctele a și b coincid.

EX. 6/136

a) t = 5 s

v = 350 m/s

d = ?

b) d=?

c) argum.

• a) d = v∙t c)

d= 5∙350

d = 1750 m

b) Δt= ts – tf

Δt = 𝑑𝑑𝑣𝑣𝑠𝑠

- 𝑑𝑑𝑐𝑐

sau Δt =d( 1𝑣𝑣𝑠𝑠

- 1𝑐𝑐

)

d = Δt / ( 1𝑣𝑣𝑠𝑠

- 1𝑐𝑐

)

29

intrucat c = 3∙ 108 m/s⇒ 1

𝑐𝑐este mult mai mic

decat 1 deci e neglijabil⇒ d = Δt / 1

𝑣𝑣𝑠𝑠⇒ d= Δt ∙vs

d = 5∙350d = 1750 m

BIBLIOGRAFIE:

• 1. Manual fizica clasa a VII a – Victor Stoica, Florin Macesanu

• 2. https://www.youtube.com/watch?v=r-VgeCC9xLE

30