Temat

Ultradźwięki

Etap edukacyjny

Drugi

Podstawa programowa

VIII. Ruch drgający i fale. Uczeń:

8) rozróżnia dźwięki słyszalne, ultradźwięki i infradźwięki; wymienia przykłady ich źródeł i zastosowań.

Czas

45 minut

Ogólny cel kształcenia

Przedstawienie własności ultradźwięków.

Kształtowane kompetencje kluczowe

1. Zdefiniowanie ultradźwięków.

2. Prezentacja własności i parametrów ultradźwięków.

3. Zastosowane ultradźwięków w przemyśle i medycynie.

Cele (szczegółowe) operacyjne

Uczeń:

- potrafi zdefiniować ultradźwięki oraz wskazać ich własności,

- przedstawia zastosowanie ultradźwięków w przemyśle i medycynie.

Metody kształcenia

1. Dyskusja przedstawiająca nowe wiadomości.

2. Dyskusja rozwijająca się w toku wspólnego rozwiązywania problemu przez klasę lub grupę.

Formy pracy

1. Praca w grupach nad uzyskiwaniem odpowiedzi na zadawane pytania.

2. Współpraca z nauczycielem podczas rozwiązywania powstałych problemów.

Etapy lekcji

Wprowadzenie do lekcji

Proszę przygotuj odpowiedzi na następujące pytania:

1. Co to jest fala dźwiękowa?
2. Wymień cechy dźwięku.
3. Co to jest zakres słyszalności?

Realizacja lekcji

Co to są ultradźwięki?

Ultradźwięki – są to fale dźwiękowe, których częstotliwość jest zbyt wysoka, aby mógł je usłyszeć człowiek. Górną granicą słyszalnych częstotliwości, czyli dolną granicą ultradźwięków, jest częstotliwość 20 kHz, ale i tak dla wielu osób granica ta jest jeszcze niższa.

Czy zwierzęta słyszą ultradźwięki?

Niektóre zwierzęta słyszą ultradźwięki, a niektóre je nawet emitują i wykorzystują jako echolokację. Psy, myszy oraz szczury słyszą do około 40 kHz. Ultradźwięki natomiast wykorzystują delfiny i nietoperze. Jest to echolokacja.

W jaki sposób można wytwarzać ultradźwięki?

Wytwarzanie ultradźwięków często odbywa się za pomocą zmiennego napięcia. Pobudza to płytki kwarcu do drgań rezonansowych.

Przedstaw podstawowe parametry związane z ultradźwiękami.

Własności i parametry ultradźwięków:

- Częstotliwość fal ultradźwiękowych jest stała dla danego generatora oraz nie zmienia się po wniknięciu do innego ośrodka.
- W diagnostyce medycznej stosuje się fale o częstotliwościach od 1 do 15 MHz, a w terapii natomiast od 0,8 MHz do 2,4 MHz.
- Ultradźwięki rozchodzą się z różnymi prędkościami w różnych ośrodkach, np. w powietrzu wynosi ~ 340 $\frac{m}{s}$, w wodzie 1500 $\frac{m}{s}$, ale w kościach czaszki 3400 $\frac{m}{s}$, w tkance tłuszczowej natomiast około 1440 $\frac{m}{s}$, a w mięśniach 1580 $\frac{m}{s}$.
- Długość fali ultradźwiękowej jest uzależniona od częstotliwości i prędkości rozchodzenia się fali $\lambda =\frac{v}{f}$.
- Natężenie fali maleje wraz z odległością od źródła i to tym szybciej im wyższa jest częstotliwość, a więc krótsza jest długość fali.

Przedstaw podstawowe własności ultradźwięków.

Właściwości ultradźwięków:

- Ultradźwięki są szybko tłumione w powietrzu. Uwarunkowane jest to małą długością fali, natomiast bardzo dobrze rozchodzą się w wodzie.
- Ultradźwięki doznają silnego odbicia na granicy dwóch ośrodków.
- Stosunkowo łatwo i precyzyjnie pozwalają się ogniskować oraz skupiać, tworząc w ten sposób cienką wiązkę.
- Ultradźwięki o dużym natężeniu niszczą lub nagrzewają przedmioty, przez które przenikają.

Zastosowanie ultradźwięków.
Ultradźwięki znalazły liczne zastosowania w różnych dziedzinach życia.

[Slideshow]

Opisz w skrócie działanie USG.

Chyba najbardziej znanym przykładem wykorzystania ultradźwięków w medycynie jest ultrasonografia (USG). Ultradźwięki ulegają odbiciu na granicy dwóch ośrodków, jeżeli ośrodki te różnią się gęstością i prędkością rozchodzenia się. Organy w ciele człowieka charakteryzują się różnymi gęstościami. W związku z tym  różne prędkości rozchodzenia się ultradźwięków. Z tego powodu fale ultradźwiękowe odbiją się od granicy ośrodków i są rejestrowane przez sondę ultrasonograficzną. Częściowo fala przenika w głąb prześwietlanego organu i znowu następuje częściowe odbicie od kolejnej granicy dwóch ośrodków. Ponownie kolejne odbite impulsy są rejestrowane. Powstaje obraz wewnętrznej budowy ciała człowieka.

Powstaje pytanie, do czego służy żel, którym smarujemy powierzchnię skóry podczas badania USG? W powietrzu fala rozchodzi się z inną prędkością niż w skórze. W związku z tym powstawałoby bardzo silne odbicie od powierzchni skóry. Natomiast prędkość rozchodzenia się ultradźwięków w żelu jest zbliżona do prędkości rozchodzenia się w skórze. Zjawisko odbicia fali na granicy dwóch ośrodków, żel i skóra, jest pomijalnie małe. Fala bez strat może wejść w głąb organizmu ludzkiego.

Jakie efekty fizyczne i fizjologiczne powodują ultradźwięki?

Ultradźwięki mogą wywoływać interesujące efekty fizyczne i fizjologiczne. Ciecze, niemieszające się ze sobą, pod wpływem ultradźwięków tworzą w bardzo szybko emulsję (np. woda i rtęć). Termometr zanurzony np. w oleju, w którym rozchodzą się ultradźwięki, jest bardzo gorący wskutek działania ultradźwięków. Mimo to termometr wskazuje niską temperaturę. Ultradźwięki bardzo skutecznie niszczą drobnoustroje oraz zabijają niektóre mniejsze zwierzęta, np. żaby oraz rybki. Jak już wszyscy wiemy, nietoperze reagują na wysokie częstotliwości (100 kHz), oraz wykorzystają z ultradźwięki w celu lokalizacji położenia przeszkody. Wysyłają one krótkie impulsy ultradźwiękowe (o częstotliwości 35 do 70 kHz). Czas trwania takich impulsów jest rzędu $\frac{1}{100}s$, a następnie odbierają impulsy odbite od przeszkody. Opóźnienie czasowe związane z odbiorem impulsów, pozwala nietoperzom ocenić położenie przeszkody. Analizowanie takich i podobnych przypadków w przyrodzie, jest przedmiotem nowej nauki – bioniki.

Podsumowanie lekcji

Ultradźwięki – są to fale dźwiękowe, których częstotliwość jest zbyt wysoka, aby mógł je usłyszeć człowiek. Górną granicą słyszalnych częstotliwości, czyli dolną granicę ultradźwięków, jest częstotliwość 20 kHz, ale i tak dla wielu osób granica ta jest jeszcze niższa. Niektóre zwierzęta słyszą ultradźwięki, a niektóre je nawet emitują i wykorzystują jako echolokacje. Psy, myszy oraz szczury słyszą do  około 40 kHz. Ultradźwięki natomiast wykorzystują delfiny i nietoperze. Jest to echolokacja.

Ultradźwięki, z powodu małej długości fali pozwalają na uzyskanie bardzo dokładnych obrazów wybranych przedmiotów. Urządzenie, pozwalające obserwować głębiny morskie, nazywa się sonarem. Sonary są wykorzystywane w okrętach zwykłych oraz podwodnych.

Ultradźwięki znalazły szerokie zastosowanie w medycynie. Za pomocą ultrasonografu można uzyskać obraz narządów wewnętrznych.