Światło i dźwięk

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 koniec_{Prędkość dźwięku w przykładowych ośrodkach}

A co jeśli nie ma ośrodka? Mówimy wówczas, że w danym miejscu panuje próżniapróżniapróżnia. 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.

RcclWnwF3sPAb

Fotografia przedstawia astronautę w białym kombinezonie, unoszącego się swobodnie w przestrzeni kosmicznej. Sylwetka astronauty pochylona z powodu nieważkości w kosmosie. Pod astronautą widoczna powierzchnia niebieskiej planety.

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.

R16aGY37RzLfs

Fotografia przedstawia światła radiowozu policyjnego.

Prędkość dźwięku i światła

Doświadczenie 1

Pytanie: Jak szybko przemieszcza się dźwięk?
Hipoteza: Dźwięk przemieszcza się wolniej od światła.

Co będzie potrzebne

• latarka,

• czerwona folia przepuszczająca światło,

• gwizdek (można też użyć gongu),

Instrukcja

1. Doświadczenie wykonuje się w parach, na otwartym terenie.

2. Zaklej latarkę czerwoną przezroczystą folią. Czerwona barwa jest dobrze widoczna nawet z dużej odległości w ostrym słońcu.

3. Daj koleżance lub koledze gwizdek i latarkę. Odejdźcie na 20 kroków od siebie.

4. 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.

5. 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?

Podsumowanie

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.

R12plV0fz9c10

Ilustracja ukazująca dzieci w wieku około 12 lat stojące na wprost siebie i wykonujące doświadczenie, sprawdzające, czy szybsze jest światło, czy dźwięk. Jedno dziecko trzyma w ręce zapaloną latarkę, a w drugiej ręce trzyma gwizdek, w który gwiżdże. Druga osoba patrzy w stronę pierwszej i nasłuchuje. Jej zadaniem jest ocenić, czy pierwsze dotarło do niej światło latarki czy dźwięk gwizdka.

1

Ćwiczenie 1

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.

RJHuXs8X43bCj

Wskazówki i klucze odpowiedzi

Pokaż podpowiedź

Zastanów się, co oznaczają różnice w dotarciu do drugiej osoby błysku latarki i dźwięku gwizdka.

Pokaż odpowiedź

W miarę oddalania się osób od siebie różnica w prędkości dźwięku i światła staje się coraz bardziej zauważalna. Wniosek: dźwięk przemieszcza się wolniej od światła.

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:

$s =v\times t$

s -droga przebyta przez ciało w czasie t [metry]
v - prędkość [metrów/sekundę]
t - czas [sekunda]

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.

Słownik

Zadania