Ruch drgajÈcy - WSiP

Spis treciJak korzystać z podręcznika ..................... 114VIVIIEnergia wewntrzna1. Przemiany energii w ruchuz tarciem ...... ........................................1182. Cieplny przepływ energii .....................1123. Bilans cieplny ......................................1194. Wyznaczanie ciepła właściwego .........1245. Ciepło topnienia i ciepło parowania ...1276. Jak zmienić energię wewnętrzną ........133* 7. Silnik cieplny .......................................138Podsumowanie rozdziału .........................142Fale mechaniczne8. Fala jako sposób przekazywaniaenergii ..................................................1469. Rozchodzenie się falmechanicznych ...................................14910. Ruch drgający ......................................15411. Przemiany energii w ruchudrgającym ............................................I6012. Ciało drgające jako źródło fal .............I6513. Źródła i cechy dźwięków ..................... 17114. Rozchodzenie się faldźwiękowych .......................................17515. Instrumenty muzyczne .......................179Podsumowanie rozdziału .........................184wiatoVIII16. Światło jako sposób przekazywaniaenergii ................................................. 18817. Rozchodzenie się światła ................... 19218. Zjawisko załamania światła ............... 19919. Soczewki ............................................. 10420. Obrazy otrzymywane za pomocąsoczewek ............................................ 10821. Zwierciadła ......................................... 11222. Obrazy otrzymywane za pomocązwierciadeł .......................................... 11623. Światło białe jako mieszanina barw ... 12124. Przyrządy optyczne ............................ 127Podsumowanie rozdziału ......................... 134Dowiedz się więcej .................................. 136Odpowiedzi .............................................. 137Indeks ważnych pojęć .............................. 139* treści rozszerzające

16ENERGIA WEWNTRZNASkoro powietrze jest złym przewodnikiem ciepła, to jak wobec tego wytłumaczyć fakt, że kaloryferogrzewa całe pomieszczenie? Przecież od kaloryfera ogrzewa się tylko powietrze,które bezpośrednio się z nim styka. Podobnie ogrzewanie wody tylko w jednym miejscuwystarcza, aby zmieniła się jej temperatura w całym garnku. Jak to się dzieje?2.4. Obserwujemy zjawisko konwekcjia. Do szklanego naczynia z wodą wrzućgrudkę barwnika, np. manganianu(VII)potasu (nadmanganianu potasu). Ustawnaczynie nad palnikiem lub na włączonejkuchence elektrycznej i obserwuj warstwywody poruszającej się podczas ogrzewania.b. Wytnij z kartki papieru spiralę i nasadź jąna statyw zrobiony z kawałka drutu. Umieśćspiralę nad świecącą żarówką i obserwuj jejzachowanie (ryc.).Podczas ogrzewania wody w naczyniu obserwujemy zjawisko konwekcji, czyli unoszeniasię jej nagrzanych warstw ku górze. Ogrzana woda ma mniejszą gęstość, więc jest wypychanaprzez wodę chłodniejszą ku górze. Dotykając ścianek naczynia oraz docierającdo powierzchni – ochładza się i opada na dno, aby ponownie ulec ogrzaniu. Po pewnymczasie obserwujemy ciągłe krążenie (cyrkulację) wody. Krążąca woda rozprowadza dostarczaneciepło po całym naczyniu (ryc. 2.6).ABRyc. 2.6. Konwekcja zachodząca w naczyniu z wodą, ustawionym na rozgrzanej płycie.Fotografie A i B ukazują dwie fazy doświadczeniaRuchy konwekcyjne obserwujemy również podczas podgrzewania powietrza. Ogrzanepowietrze unosi się ku górze, oddaje ciepło chłodniejszym warstwom powietrza i poochłodzeniu opada, aby ogrzać się ponownie. W naszym doświadczeniu 2.4b unoszącesię powietrze wprawia w ruch spiralę i widzimy jej wirowanie.Konwekcja odgrywa bardzo dużą rolę w przyrodzie. Właśnie temu zjawisku zawdzięczamypowstawanie pasatów, wiatrów monsunowych oraz różnego rodzaju prądów powietrznychi wodnych. Ruchy konwekcyjne powietrza umożliwiają ptakom szybowanie bezwydatkowania energii.Zjawisko konwekcji wykorzystujemy bardzo często w codziennym życiu. Umożliwia onoogrzewanie pomieszczeń, krążenie wody w domowej instalacji centralnego ogrzewania,w kominach wytwarza ciąg zasysający spaliny z paleniska. Przeanalizuj przykłady na s. 17.

Cieplny przepyw energiiRuchy konwekcyjne powietrza17O krążeniu powietrza w pokoju możemy sięprzekonać, obserwując odchylanie się płomieniaświecy ustawionej w drzwiach prowadzącychna nieogrzewany korytarz.Dzięki konwekcji nagrzane od kaloryfera powietrzeunosi się i przemieszcza do wszystkichmiejsc w pokoju, a ochłodzone – opadai powraca do kaloryfera.Nagrzane powietrze w dole komina unosi siędo góry i wytwarza ciąg zasysający dym z tlącegosię orzecha.Zgaszenie świeczki powoduje, że ustają ruchykonwekcyjne w kominie i komin przestaje zasysaćdym.

54FALE MECHANICZNE10Ruch drgajcyPrzyjrzyjmy się jeszcze raz sprężynie, wzdłuż której rozchodzą się fale. Obserwacja będziełatwiejsza, gdy do jednego z jej zwojów przykleimy skrawek barwnej taśmy. Następnieprzyklejamy ten skrawek do innego zwoju i powtarzamy obserwację kilkakrotnie. Jaksię przekonasz – podczas rozchodzenia się fal każdy punkt ośrodka wykonuje drgania.Drgania obserwujemy na każdym kroku. Wykonuje je huśtawka, boja wrzucona do wody,ciecz wlana do U-rurki, zanim nie wyrówna poziomów, kładka nad strumykiem, po którejktoś przebiegł, potrącone gałęzie drzew, struna gitary. Kika przykładów ruchu drgającegoprzedstawiono na rycinie 10.1. Na pewno potrafisz podać jeszcze wiele innych.ARyc. 10.1. Huśtawka (A), wahadło zegara (B)i obciążnik na sprężynie (C) po wychyleniuz położenia równowagi wykonują drganiaBCDlaczego niektóre ciała – popchnięte – po prostu przesuwają się, a inne zaczynają wykonywaćdrgania? Co należy zrobić, aby spoczywający wózek wprawić w ruch drgający?10.1. Siły w ruchu drgającymPrzygotuj wózek do mechaniki (możesz zastąpićgo wrotką, a nawet samochodem-zabawką),dwie długie sprężyny lub gumy, dwa statywy.a. Zamocuj wózek między dwiema sprężynamiprzymocowanymi do statywów.b. Przesuń trochę wózek, lekko rozciągającjedną ze sprężyn i jednocześnie zmniejszającnaprężenie drugiej, i puść.c. Obserwuj ruch wózka aż do momentu,gdy się zatrzyma.pooenie równowagi

Ruch drgajcy55Wózek zamocowany między dwiema sprężynami pozostaje w spoczynku, dopóki działającena niego siły się równoważą. Takie położenie wózka nazywamy położeniem równowagi.Po wychyleniu z położenia równowagi wózek zaczyna wykonywać drgania.Łatwo zrozumieć, dlaczego tak się dzieje. Gdy przesuwamy wózek w lewo (ryc. 10.2A),prawa sprężyna zostaje bardziej rozciągnięta, więc działa na wózek większą siłą niżlewa sprężyna, i to powoduje ruch wózka w prawo. Wydawać by się mogło, że wózekzatrzyma się w położeniu równowagi i rzeczywiście tak by było, gdyby nie prędkość,jaką nabył pod działaniem siły. Teraz do zatrzymania wózka potrzebna jest siła o zwrocieprzeciwnym do prędkości i rzeczywiście taka siła pojawia się, gdy przesunie się onw prawo (ryc. 10.2B). Wózek zatrzyma się, ale sprężyna lewa będzie bardziej rozciągniętaniż prawa i cała sytuacja będzie powtarzała się okresowo.Wózek porusza się ruchem drgającym, ponieważ po wychyleniu z położenia równowagidziałają na niego siły zwrotne, czyli siły zwrócone przeciwnie do wychyleniawózka z położenia z równowagi.Apooenie równowagiBpooenie równowagiRyc. 10.2. Wychylenie wózka z położenia równowagi powoduje pojawienie się siły zwrotnej,ponieważ sprężyna z przeciwnej strony się naprężaPojawianie się sił zwrotnych jest również przyczyną ruchu drgającego obciążnika zawieszonegona sprężynie (ryc. 10.1c). Obciążnik pozostaje w spoczynku, dopóki działającana niego siła ciężkości równoważona jest siłą pochodzącą od rozciągniętej sprężyny.Wystarczy jednak wytrącić go z położenia równowagi – unieść go ku górze lub pociągnąćdo dołu – a zacznie wykonywać drgania. Gdy obciążnik znajduje się powyżej poziomurównowagi, wówczas sprężyna jest zbyt mało rozciągnięta, aby zrównoważyć siłę ciężkości,i wypadkowa siła działająca na ciało zwrócona jest w dół. W położeniach poniżejpoziomu równowagi nadmiernie rozciągnięta sprężyna działa siłą większą niż siła ciężkościi wypadkowa siła zwrócona jest ku górze.Powtarzanie drgań nie jest zbyt dokładne, bo za każdym razem zarówno wózek, jaki obciążnik coraz mniej wychylają się z położenia równowagi. Mówimy, że drgania mającoraz mniejszą amplitudę (ryc. 10.2).

Gramy na gitarzeKażdy słyszał drgania struny gitary, a prawdopodobnietakże sam, szarpiąc lub uderzając strunę, pobudzał jądo drgań. Grając na gitarze, uzyskujemy dźwięki różnejwysokości dzięki temu, że potrącamy różne strunyi skracamy je przez dociskanie do różnych progów.węzeł strzałka węzełSzarpnięcie lub uderzenie strunysprawia, że rozchodzi się w niej fala, która odbija sięwielokrotnie od jej zamocowanych krańców. Odbite falenakładają się na siebie i w jednych miejscach drgania sięwzmacniają, a w innych osłabiają. Po krótkim czasie obserwujemydrganie całej struny: miejsca pozostające w spoczynku (czyliwęzły) i takie, w których drgania są maksymalne (czyli strzałki).Mówimy, że na strunie tworzy się fala stojąca.l 1f 1Różne mody drgań strunyNa drgającej strunie mogą powstawać fale stojące różnych długości, a więcstruna może drgać jednocześnie z różnymi częstotliwościami. Częstotliwościte są wielokrotnością częstotliwości podstawowej f 1, czyli najniższej możliwejczęstotliwości. Na strunie drgającej z najmniejszą możliwą częstotliwością jestjedna strzałka – w połowie długości struny i dwa węzły na jej końcach (w miejscachzamocowania). Dźwięk wydawany podczas takiego drgania nazywamy tonem(modem) podstawowym struny.

Strojenie gitarypolega na odpowiedniej zmianienaprężenia struny przez obracaniekluczem. Nawet niewielkienaciągnięcie strunypowoduje wzrostwysokości dźwięku.progiklucze (stroiki)Dociśnięcie strunydo progupowoduje jej skrócenie.Maleje więc długośćfali stojącej modupodstawowego, czyliwzrasta częstotliwośći wysokość dźwięku.Przyjrzyj się strunom gitaryZauważ, że wszystkie struny sątej samej długości i wyraźnie różnią sięgrubością. Częstotliwość i barwa dźwiękuzależy od gęstości materiału, z któregostrunę wykonano. Właśnie dlatego strunygitary są różnej grubości, a struny basowesą dodatkowo owijane cienkim drutem.Im struna grubsza, tym jej dźwiękjest niższy.l 2f l 32= 2f 1f 3= 3f 1Potrącona struna drga z wieloma częstotliwościami, więc na wysyłany przez niądźwięk składa się wiele modów składowych. Dominuje ton podstawowy, inne modysą znacznie słabsze, a niektóre bardzo słabe, wręcz niesłyszalne. Udziałposzczególnych modów składowych zależy od grubości struny. Dlatego bez trudupoznamy, czy szarpnięto strunę najcieńszą, czy najgrubszą; mimo że obie wydająten sam dźwięk podstawowy „e” (o częstotliwości 330 Hz), zawartość modówskładowych jest różna. O takich dźwiękach mówimy, że różnią się barwą.

84FALE MECHANICZNEVIIPodsumowanie rozdziau Fala mechaniczna to rozchodzące się lokalnezaburzenie ośrodka sprężystego, któreprzenosi energię. Fale mogą rozchodzić się w postaci pojedynczychimpulsów falowych lub w postacifali ciągłej. Fala poprzeczna charakteryzuje się tym, żeodkształcenie ośrodka jest prostopadłe dokierunku rozchodzenia się fali. Fala podłużna charakteryzuje się tym, żeodkształcenie ośrodka jest równoległe dokierunku rozchodzenia się fali. Zasada superpozycji fal: jeżeli do jakiegośpunktu ośrodka docierają jednocześniedwie fale, to odkształcenie w nim jest sumąodkształceń, które spowodowałaby każdafala z osobna. Źródłem fali ciągłej jest ciało drgające. Podczasrozchodzenia się fali kolejne punktyośrodka wykonują drgania. Ciało porusza się ruchem drgającym, gdypo wychyleniu z położenia równowagi działająna nie siły zwrotne, czyli siły zwróconeprzeciwnie do wychylenia ciała z położeniarównowagi. Amplituda drgań A to największe wychylenieciała z położenia równowagi. Okres drgań T to czas jednego pełnegodrgania. Częstotliwość drgań f określa liczbę drgańwykonywanych w czasie jednej sekundy. Rezonans to zjawisko pobudzania ciała dodrgań z częstotliwością równą częstotliwościjego drgań własnych. Wielkościami charakteryzującymi falę ciągłąsą: prędkość v, długość i częstotliwośćfali f:v= · f Długość fali jest to odległość, o jaką przemieszczasię fala w czasie jednego pełnegodrgania.Długość fali podłużnej rozpoznajemy jakoodległość między kolejnymi zagęszczeniami,a fali poprzecznej – między sąsiednimigrzbietami lub dolinami. Częstotliwość fali równa jest częstotliwościdrgań źródła. Okres fali jest równy okresowidrgań źródła. Fale rozchodzące się w ośrodku odbijająsię od napotykanych przeszkód i ulegają nanich ugięciu, a przechodząc z ośrodka doośrodka, mogą się załamywać (czyli zmieniaćkierunek rozchodzenia się na granicyośrodków). Fala dźwiękowa to rozchodzące się zagęszczeniai rozrzedzenia elementów ośrodka.W powietrzu fale dźwiękowe rozchodzą sięz prędkością około 340 m/s. Człowiek może słyszeć dźwięki wydawaneprzez ciała drgające z częstotliwością większąod 16 Hz, lecz jednocześnie mniejsząod 20 kHz. Infradźwięki to dźwięki o częstotliwościachmniejszych od 16 Hz. Ultradźwięki to dźwięki o częstotliwościachwiększych od 20 kHz.

Fale mechaniczne85SPRAWD, CZY POTRAFISZ1. Uderzono w naprężony sznur, wywołując w nim rozchodzenie się fali. W chwilępóźniej uderzono w sznur powtórnie, lecz nieco mocniej. Czy impuls drugi dogonipierwszy? Sprawdź to doświadczalnie i wyjaśnij wynik doświadczenia.2. Wzdłuż nici rozchodzą się naprzeciw siebie dwa impulsy, tak jak to przedstawionona rysunku. Narysuj odkształcenie sznura w momencie mijania się impulsów (gdyznajdą się w tym samym punkcie sznura).3. Impuls falowy rozchodzi się wzdłuż sznura, który został zamocowany do stabilnegostatywu. Narysuj odkształcenie sznura przed odbiciem i po odbiciu się impulsufalowego od statywu.4. Na fotografii F znajdującej się w ramce na s. 52 przedstawiono przechodzenie faliz głębszej wody na płytszą. W którym obszarze fala rozchodzi się z większą prędkością?Odpowiedź uzasadnij.5. Wskaż, które z przedstawionych wahadeł wykonuje drgania:a) o największym okresie;b) o największej częstotliwości.1 2 36. Obserwator badający echo znajduje się najpierw w odległości 25 m, a później w odległości15 m od ściany lasu. Czy po wydaniu okrzyku w każdej z tych odległości usłyszyecho? Odpowiedź uzasadnij.7. Który z dźwięków ma największą wysokość: f 1= 200 Hz, f 2= 1000 Hz czyf 3= 15 000 Hz?8. Jaka jest amplituda drgań obciążnika zawieszonego na sprężynie?

100WIATO18.1. Badamy zjawisko załamania światłaa. Ułóż na stole kartkę białego papieru, ustawna niej osłonięte źródło światła ze szczeliną,tak aby uzyskać wąską wiązkę światła.b. Skieruj wiązkę światła na przezroczystepłytki różnych kształtów, zaznacz ich położenieoraz kierunki promieni padających i załamanychoraz kąty padania i kąty załamania.c. Zmieniaj ustawienia płytek względemźródła (czyli kierunek padającego światła)i za każdym razem zaznaczaj kierunek promieniapadającego i załamanego.promieńzałamanypromieńodbitypromieńpadającyKilka sytuacji przechodzenia światła przez szklane płytki przedstawiono poniżej (za każdymrazem światło pada na płytkę z prawej strony).Załamanie światłapromieńpadającyGdy światło pada na płytkę równoległościennąprostopadle do jej powierzchni, czyli kątpadania wynosi 0°, to nie ulega załamaniu.promieńpadającyŚwiatło – przechodząc przez pryzmat – dwukrotniezałamuje się na jego ściankach i odchylaod pierwotnego kierunku.promieńpadającyNa granicy szkło–powietrze światło załamujesię od normalnej, czyli kąt załamania jestwiększy od kąta padania.promieńpadającyNa granicy powietrze–szkło światło załamujesię ku normalnej, czyli kąt załamania jestmniejszy od kąta padania.

Zjawisko zaamania wiata101Widzimy, że światło ulega załamaniu niezależnie od tego, czy przechodzi z powietrza doszkła czy ze szkła do powietrza.Przyczyną załamania światła jest zmiana prędkości, z jaką rozchodzi się światło w różnychośrodkach przezroczystych. W próżni i w powietrzu światło rozchodzi się z prędkościąc ≈ 300 000 km/s, w wodzie z prędkością ok. 225 000 km/s, a w szkle – ok. 200 000 km/s.Obserwujemy również, że: podczas przechodzenia światła do ośrodka, w którym rozchodzi się ono wolniej (np.z powietrza do wody lub do szkła), kąt załamania jest mniejszy od kąta padania; podczas przechodzenia światła do ośrodka, w którym rozchodzi się ono szybciej (np.ze szkła do wody lub do powietrza), kąt załamania jest większy od kąta padania.Zjawisko załamania światła jest przyczyną wielu bardzo ciekawych obserwacji, np.zjawiska mirażu (ryc. 18.3).Ryc. 18.3. Załamanie światła w warstwiepowietrza rozgrzanego od powierzchniasfaltu powoduje, że widzimy miraże.Obrazy nieba postrzegamy jako kałużewody, w których „odbijają się” pojazdyWARTO WIEDZIEGęstość optyczna atmosfery ziemskiejzmienia się wraz z wysokością i dlategoświatło od innych ciał niebieskich – wchodzącw atmosferę – ulega wielokrotnemuzałamaniu, zanim dotrze do obserwatora naZiemi. Nasz mózg „nauczony jest” jednak,że światło rozchodzi się po liniach prostych,więc widzimy ciało niebieskie wysyłające toświatło nie tam, gdzie się naprawdę znajduje,lecz wyżej. Tej zmiany kierunku nie obserwujemydla ciał znajdujących się w zenicie,ponieważ światło pada wówczas pod kątem0° i nie ulega załamaniu. Największą zmianękierunku obserwujemy w wypadku obiektówznajdujących się nisko nad horyzontem(największy kąt padania światła na atmosferę).Z tego powodu widzimy zachodząceSłońce nawet wtedy, kiedy tak naprawdę jestjuż poniżej linii horyzontu, a jego tarcza wydajesię wówczas spłaszczona.

Odkryj, powtórz, zapamitaj…Fizyka. Kompletnie• Bliżej fizyki. Zeszyt ćwiczeń. Część 2– uzupełnienie podręcznika, które ułatwi cinaukę, pomoże utrwalić omawianymateriał i poszerzy twoją wiedzę z fizyki.• Romuald Subieta: Fizyka. Zbiór zadań– najchętniej używany zbiór zadań,który pozwoli ci lepiej zrozumieć omawianena lekcjach zjawiska fizyczne i skuteczniejprzygotować się do sprawdzianów i egzaminu.Już dziś pomyśl o egzaminie gimnazjalnym!• Trening przed egzaminem. Fizyka– skutecznie przygotuje cię do egzaminugimnazjalnego. Powtórzysz wszystkie tematyz gimnazjum, rozwiązując różnego typuzadania, z jakimi spotkasz się na egzaminie.Trenuj tak, jak lubisz – w drukowanym zeszycielub na WSiPnet.pl. Dowiesz się, co umiesz jużdobrze, a co musisz jeszcze powtórzyć.WYDAWNICTWASZKOLNEI PEDAGOGICZNE wsip.pl infolinia: 800 220 555