Światło i dźwięk
Burza to groźne zjawisko, które budzi i lęk i zachwyt. Często z podziwem obserwujemy efektowne wzory błyskawic na niebie. Po chwili słyszymy uderzenie grzmotu. Dlaczego najpierw widzimy błysk pioruna, a dopiero później dociera do nas jego grzmot?
jak powstaje fala dźwiękowa,
co jest źródłem dźwięku,
jakie wielkości fizyczne opisują falę dźwiękową oraz od czego zależą.
Obliczysz drogę pokonywaną przez dźwięk w powietrzu.
Wykażesz związek między rodzajem ośrodka a prędkością dźwięku.
Wyjaśnisz, dlaczego nic nie może poruszać się szybciej od światła.
1. Prędkość dźwięku
Dźwięk jest falą mechaniczną, która może się rozchodzić tylko w ośrodku materialnym, czyli składającym się z cząsteczek. Prędkość rozchodzenia się dźwięku zależy od tego, ile jest cząsteczek. W powietrzu, tuż nad ziemią, dźwięk przemieszcza się z prędkością 340 m/s (1224 km/h). Potrzebuje więc około 3 sekund na pokonanie kilometra. Wraz ze wzrostem wysokości powietrze staje się coraz bardziej rozrzedzone, dlatego prędkość dźwięku maleje – np. na wysokości 10 km wynosi już tylko 1080 km/h. Za to w wodzie dźwięk pokonuje około półtora kilometra w sekundę!
Indeks dolny Prędkość dźwięku w przykładowych ośrodkach Indeks dolny koniecPrędkość dźwięku w przykładowych ośrodkach
Rodzaj ośrodka | Prędkość dźwięku [m/s] |
---|---|
guma | od 17 do 30 |
powietrze | 340 |
korek | 500 |
woda | 1500 |
ołów | 2100 |
lód | 3300 |
beton | 3800 |
szkło | 6000 |
diament | 18000 |
A co jeśli nie ma ośrodka? Mówimy wówczas, że w danym miejscu panuje próżniapróżnia. Nie ma tam cząsteczek, które przekazując sobie drgania, mogłyby przenosić falę dźwiękową. W takiej sytuacji dźwięk nie może się przemieszczać. Ma to miejsce w przestrzeni kosmicznej – nie słychać tam żadnych dźwięków.
2. Szybciej czy wolniej od światła?
Dlaczego podczas burzy najpierw widzimy błysk, a dopiero potem słyszymy huk? Światło w porównaniu do dźwięku jest falą elektromagnetyczną, która może poruszać się w próżni. W próżni porusza się z prędkością aż 300 000 km/s! Co więcej, jest to największa prędkość w przyrodzie i żadne ciało nie jest w stanie jej osiągnąć. Gdy światło wnika do atmosfery czy innego ośrodka, nieco zmniejsza prędkość, gdyż w przeciwieństwie do dźwięku najszybciej rozchodzi się w próżni. W powietrzu porusza się więc nieco wolniej – z prędkością 291 tys. km/s. Jest to nadal prędkość o wiele większa od szybkości dźwięku.
Światło potrzebuje ponad sekundę, by dotrzeć z Księżyca do Ziemi, i 8 minut, by przebyć odległość ze Słońca do Ziemi.
Pytanie: Jak szybko przemieszcza się dźwięk?
Hipoteza: Dźwięk przemieszcza się wolniej od światła.
latarka,
czerwona folia przepuszczająca światło,
gwizdek (można też użyć gongu),
Doświadczenie wykonuje się w parach, na otwartym terenie.
Zaklej latarkę czerwoną przezroczystą folią. Czerwona barwa jest dobrze widoczna nawet z dużej odległości w ostrym słońcu.
Daj koleżance lub koledze gwizdek i latarkę. Odejdźcie na 20 kroków od siebie.
Kiedy znajdziecie się w odpowiedniej odległości, niech osoba, z którą przeprowadzasz obserwację, skieruje latarkę w twoją stronę i włączy ją, gwiżdżąc dokładnie w tym samym momencie. Oceń, czy najpierw słyszysz gwizd, czy widzisz światło.
Oddalcie się na odległość około 300 kroków. Niech koleżanka lub kolega ponownie jednocześnie zagwiżdże i włączy latarkę. Który bodziec dotarł do ciebie pierwszy: świetlny czy dźwiękowy?
W miarę oddalania się koleżanki lub kolegi różnica w prędkości dźwięku i światła staje się coraz bardziej zauważalna.
Wniosek: dźwięk przemieszcza się wolniej od światła.
Zapoznaj się z poniższym tekstem opisującym przebieg doświadczenia, a następnie zweryfikuj następujące pytanie i hipotezę.
Pytanie: Jak szybko przemieszcza się dźwięk?
Hipoteza: Dźwięk przemieszcza się wolniej od światła.
Doświadczenie zostało wykonane w parze przez dwie osoby na otwartym terenie. Użyty sprzęt to latarka zaklejona czerwoną przezroczystą folią i gwizdek. Czerwona barwa jest dobrze widoczna nawet z dużej odległości w ostrym słońcu.
Jedna osoba trzyma gwizdek i latarkę i oddala się od drugiej osoby na 20 kroków. Kiedy osoby znajdą się w odpowiedniej odległości od siebie, osoba trzymająca latarkę kieruje ją w stronę pierwszej osoby i włącza ją, gwiżdżąc dokładnie w tym samym momencie. Pierwsza osoba najpierw widzi światło, a potem słyszy gwizd. Następnie osoby oddalają się od siebie na odległość około 300 kroków. Ponownie osoba trzymająca latarkę włącza ją, gwiżdżąc równocześnie. Pierwsza osoba widzi najpierw światło, a potem słyszy dźwięk.
3. Jak daleko jest burza?
Podczas uderzenia pioruna powietrze bardzo silnie się nagrzewa. Z tego powodu staje się źródłem światła, a także dźwięku. Różnica prędkości dźwięku i światła sprawia, że najpierw widzimy błysk pioruna, a dopiero potem słyszymy grzmot towarzyszący wyładowaniu.
Wykorzystując różnicę prędkości rozchodzenia się światła i dźwięku, możemy w przybliżeniu obliczyć odległość, w jakiej burza znajduje się od miejsca, w którym przebywamy. Gdy zobaczymy błysk pioruna, zaczynamy liczyć, po ilu sekundach dotrze do nas dźwięk grzmotu. Pamiętając o tym, że dźwięk potrzebuje około 3 sekund na pokonanie kilometra, obliczamy, jak daleko jest burza. Jeśli na przykład grzmot dotrze do nas 12 sekund po błysku, to burza znajduje się w odległości 4 km (12 : 3 = 4).
Wzór na drogę w ruchu jednostajnie prostoliniowym:
s -droga przebyta przez ciało w czasie t [metry]
v - prędkość [metrów/sekundę]
t - czas [sekunda]
Wyjaśnij, dlaczego aby ocenić w kilometrach naszą odległość od burzy, trzeba podzielić czas między błyskiem a grzmotem przez 3, a nie przez 2 lub 5.
Podsumowanie
Prędkość dźwięku zależy od ośrodka, w którym on się przemieszcza.
Prędkość dźwięku w powietrzu na poziomie morza wynosi 340 m/s.
W próżni dźwięki się nie rozchodzą.
Światło porusza się szybciej niż jakiekolwiek ciało na świecie.
Praca domowa
Odpowiedz, w jakiej odległości od obserwatora uderzył piorun, jeżeli dźwięk grzmotu słyszalny był 15 sekund po jego uderzeniu.
Słownik
przestrzeń pozbawiona cząsteczek, w której nie rozchodzą się fale dźwiękowe
Zadania
Zaznacz, które zdania są prawdziwe, a które fałszywe.
Prawda | Fałsz | |
Prędkość światła w próżni jest największą prędkością w przyrodzie. | □ | □ |
Im mniej gęsty ośrodek, tym dźwięk porusza się szybciej. | □ | □ |
Aby obliczyć, w jakiej odległości od obserwatora uderzył piorun, należy podzielić przez 3 czas, jaki upłynął między zauważeniem pioruna a usłyszeniem grzmotu. | □ | □ |
Nie można poruszać się szybciej od dźwięku. | □ | □ |
Dźwięk w próżni nie może się przemieszczać. | □ | □ |