Mechanické vlnění
Cvičení 1
Rozhodněte, zda jde o podélné nebo příčné vlnění:
- vlna na vodní hladině,
- vlnění struny na kytaře,
- vlnění sloupce vzduchu uvnitř flétny,
- rázová vlna způsobená nárazem lokomotivy do řady vagónů s pružinovými nárazníky,
- mexická vlna,
- ultrazvukové vlny při sonografickém vyšetření,
- seismické vlny šířící se zemskou kůrou,
- seismické vlny šířící se kapalným zemským jádrem,
- tlaková vlna ve vodě po výbuchu ponorky.
Cvičení 2
K pobřeží dospěje devět vln za minutu, přičemž vzdálenost jejich hřebenů je 5 m. Vypočítejte frekvenci a rychlost šíření mořských vln.
Zdroj
Cvičení 3
Vypočítejte vlnovou délku zvuku o frekvenci 500 Hz, který se šíří
- vzduchem,
- vodou,
- ocelí.
- 68 cm;
- 3,0 m;
- 10 m
Cvičení 4
Postupná tlaková vlna šířící se ve směru osy x je popsána rovnicí
\[ p(t,x) = 0{,}2\sin(1100t-3{,}24x)\;. \]Číselné hodnoty konstant jsou uvedeny v základních jednotkách SI.
- Určete periodu, vlnovou délku a rychlost šíření této vlny.
- Vypočítejte okamžitou hodnotu tlaku v bodě o souřadnici \(x=2{,}00\ \mathrm{m}\) v čase \(t=3{,}00\ \mathrm{s}\).
- Graficky znázorněte rozložení tlaku kolem počátku souřadnic v čase \(t=5{,}00\ \mathrm{s}\), tj. sestrojte graf \(p=f(x)\) pro tento okamžik.
- \(\lambda=1{,}94\ \mathrm{m}\), \(T=5{,}71\ \mathrm{ms}\), \(v=340\ \mathrm{m/s}\);
- \(p=0{,}18\ \mathrm{Pa}\) (fáze vlny v radiánech);
-
22.77 – Řešení cvičení 4, otázka c).
Zdroj
Cvičení 5
Dva reproduktory R1 a R2 umístěné ve vzdálenosti 2,00 m od sebe (viz obrázek 22.78) vydávají tón o frekvenci 200 Hz. Jsou připojeny ke stejnému zdroji střídavého napětí, takže jejich kmitání probíhá synchronně (membrány kmitají ve fázi). Ve kterém bodě v kladné části osy \(x\) bude docházet k destruktivní interferenci (lokální minimum intenzity zvuku)? Rychlost zvuku je 340 m/s.
Zdroj
Cvičení 6
Rázy. Do určitého bodu prostoru dopadají dvě mechanické vlny o stejné amplitudě a o frekvencích \(f_1\) a \(f_2\). První vlna v tomto bodě vyvolává kmitání prostředí popsané rovnicí \(y_1(t)=y_\mathrm{m}\sin(2\pi f_1t)\), druhá vlna pak kmitání popsané rovnicí \(y_2(t)=y_\mathrm{m}\sin(2\pi f_2t)\).
- Odvoďte vztah pro časovou závislost výsledného kmitání prostředí v uvažovaném bodě. Použijte součtové vzorce.
- Fyzikálně zajímavý případ je ten, kdy frekvence jsou blízké. Vezměme například \(f_1=300\ \mathrm{Hz}\) a \(f_2=302\ \mathrm{Hz}\). Vypočítejte, s jakou frekvencí bude kmitat prostředí v uvažovaném bodě a s jakou frekvencí se bude měnit amplituda tohoto kmitání. Při skládání dvou zvukových vln blízkých frekvencí jsou tyto pravidelné změny amplitudy slyšitelné a známé pod pojmem „rázy“ neboli „zázněje“.
- a) \(\displaystyle y(t)=\left[2y_\mathrm{m}\cos\left(2\pi\frac{f_1-f_2}2t\right)\right]\sin\left(2\pi\frac{f_1+f_2}2t\right)\);
- b) Výraz v hranaté závorce v předchozím výsledku představuje amplitudu kmitání. Pro zadané číselné hodnoty platí, že frekvence kmitání prostředí je 301 Hz, frekvence změn amplitudy je 1 Hz. Poznamenejme, že sluchem vnímáme hlasitost, která souvisí s absolutní hodnotou výrazu \(\displaystyle 2y_\mathrm{m}\cos\left(2\pi\frac{f_1-f_2}2t\right)\), takže ve skutečnosti slyšíme zázněje s frekvencí dvojnásobnou, v našem případě tedy 2 Hz.
Cvičení 7
Předpokládejme, že zdroj zvuku o frekvenci \(f_\mathrm{Z}\) se vůči okolnímu vzduchu nepohybuje. Rychlost zvuku ve vzduchu označíme písmenem \(c\). Odvoďte vztah pro výpočet frekvence \(f_\mathrm{P}\), kterou naměří pozorovatel blížící se ke zdroji rychlostí \(v\).
Zvuk
Cvičení 1
Před bouřkou má vzduch teplotu 30 °C a je dobře slyšet ozvěna. Jakou rychlostí se v něm šíří zvuk? Za jak dlouho po zavolání uslyšíme ozvěnu, stojíme-li na poli 150 m od lesa?
Cvičení 2
Rybářská loď vyšle ultrazvukový pulz směrem ke dnu. Detektor zaregistruje dvě odražené vlny v čase 0,24 s a v čase 0,80 s po vyslání. Vypočítejte, jaká je vzdálenost hejna ryb ode dna. Ultrazvuk se ve vodě šíří rychlostí 1,5 km/s.
Cvičení 3
Zvuk dospěje k pobřeží vzduchem o 4,0 s později nežli vodou. Jak daleko od pobřeží se nacházel zdroj zvuku? Ve vzduchu se zvuk šíří rychlostí 340 m/s, ve vodě rychlostí 1 500 m/s.
Cvičení 4
Pozorovatel na horní vyhlídce nad propastí Macocha v Moravském krasu si všiml, že nedaleko od vyhlídky se z horního okraje propasti uvolnil kámen a dopadl na její dno. Zvuk vzniklý při dopadu k němu dospěl za 5,8 s od okamžiku uvolnění kamene. S využitím tíhového zrychlení g = 9,8 m/s2 a rychlosti zvuku vz = 340 m/s vypočítejte, jak je propast hluboká.
Zdroj
Cvičení 5
Skauti umí velmi jednoduše odhadnout, jak je bouřka daleko. Jakmile uvidí blesk, začnou počítat sekundy, dokud neuslyší hrom. Počet sekund vydělí třemi a tím získají vzdálenost bouřky v kilometrech. Znáte-li rychlost zvuku (340 m/s) a rychlost světla (3 ⋅ 108 m/s), spočítejte přesně, jak je bouřka daleko, když hrom zaburácí 15 s po záblesku. Vysvětlete, proč odhad dává správný výsledek.
Cvičení 6
Stíhačka proletí ve výšce 1 500 m nad hlavou pozorovatele. Má rychlost 600 m/s a pohybuje se po přímce. Vypočítejte, jakou vzdálenost od tohoto okamžiku urazí, než pozorovatel na zemi uslyší rachot jejích motorů. Rychlost zvuku je 340 m/s.
Zdroj
Cvičení 7
Netopýr se pohybuje směrem k překážce rychlostí 10 m/s. Ultrazvukový signál, který vyslal směrem dopředu, se k němu po odrazu vrátil za 0,15 s (od jeho vyslání). Jaká doba zbývá netopýrovi, aby se překážce vyhnul? Rychlost šíření zvuku je 340 m/s.
Zdroj
Cvičení 8
Divák na tribuně pozoruje projíždějící závodní vozy. Slyší frekvenci 236 Hz, když se formule k němu přibližuje, a frekvenci 200 Hz, když se od něj formule vzdaluje. Vypočítejte, jakou rychlostí se tento závodní monopost pohybuje. Rychlost zvuku ve vzduchu je 340 m/s.
Zdroj
Cvičení 9
Struna má délku 0,80 m. Rychlost šíření vlnění na struně je 200 m/s.
- Nakreslete základní a první vyšší harmonický mód stojatého vlnění struny.
- Určete vlnovou délku a frekvenci těchto módů stojatého vlnění.
Cvičení 10
Sloupec vzduchu uvnitř flétny má délku 30,0 cm. Předpokládáme, že uvnitř flétny vzniká základní mód stojatého vlnění s kmitnami na obou koncích.
- Jakou bude mít frekvenci tón vydávaný flétnou, je-li teplota vzduchu uvnitř flétny 20 °C?
- O kolik se změní ladění (frekvence) flétny z otázky a), když se hráč rozehraje a naplní flétnu vzduchem o teplotě 32 °C?
- O kolik milimetrů by musel prodloužit tělo flétny, aby frekvence vypočítaná v otázce a) zůstala nezměněna?
- 573 Hz;
- o 12 Hz;
- o 6 mm
Cvičení 11
Vypočítejte intenzitu zvuku odpovídající hlasitosti 60 dB. Práh slyšení je \(I_0=10^{-12}\ \mathrm{W/m}^2\).
Cvičení 12
Pěvecký sbor o dvaceti členech vytváří zvuk, jehož hlasitost v hledišti je 70 dB. Jak hlasitý zvuk v dB vytvoří ve stejném místě devadesátičlenný sbor zpěváků? Pro jednoduchost předpokládejme, že všichni sboristé zpívají stejně hlasitě a vzájemně se netlumí.
Zdroj
Cvičení 13
Všesměrový zdroj zvuku má výkon 20 W, tj. do všech směrů vysílá rovnoměrně akustickou energii, celkově 20 J za 1 s.
- Jaká energie dopadne za sekundu kolmo na 1,0 m2 plochy vzdálené 5,0 m od zdroje?
- Jaká energie dopadne za sekundu na ušní bubínek o velikosti 80 mm2 ve vzdálenosti 5,0 m od zdroje?
- Jaká je hladina intenzity zvuku ve vzdálenosti 5,0 m od zdroje?
- 63,7 mJ;
- 5,09 ⋅ 10−6 J;
- 108 dB
Cvičení 14
O kolik půltónů jsou vzdáleny frekvence 267 Hz a 200 Hz?
Problémové úlohy
Cvičení 1
Vyšetření ultrazvukem
Problémová úloha – podle maturitního zadání z fyziky, Francie, 2005 (přeloženo a upraveno)
Dokument 1: Princip sonografie (podle C. Ray, J. C. Poizat – La physique par les objets quotidiens, Belin, 2007)
Sonda sonografu funguje současně jako vysílač i detektor ultrazvuku. Jakmile echo (odražená vlna) dopadne na sondu, vytvoří na převodníku malou změnu napětí. Pulzy trvají jen několik mikrosekund a opakují se po několika milisekundách, takže zvuková vlna má dost času vrátit se a být zaregistrována (zvuk v měkkých tkáních urazí přibližně 1,5 cm za 10 mikrosekund).
V závislosti na oblasti, kterou chceme zobrazit, se používají různé frekvence. Vlny o nízkých frekvencích se méně tlumí, takže prostředím pronikají hlouběji. Například při 5 MHz můžeme zkoumat oblasti až 12 cm hluboko, zatímco při 10 MHz dosáhneme jen 6 cm. Proč tedy nepoužívat vždy jen nízké frekvence? Protože na frekvenci závisí také přesnost měření, a to opačným způsobem, to znamená, že rozlišení je tím lepší, čím je frekvence vyšší (například při 5 MHz je rozlišení 0,3 mm a při 10 MHz až 0,15 mm).
Dokument 2: Schéma sonografického vyšetření mozku
Zdroj
Otázky:
-
Nakreslete časový průběh signálu vysílaného sondou a do grafu vyznačte časy charakteristické pro jednotlivé děje.
-
Jaká je rychlost ultrazvuku v měkkých tkáních?
-
Když se zvýší frekvence vlnění, jak se při tom změní
- hloubka h zkoumané oblasti,
- absolutní nejistota \(\Delta l\) měření délky?
-
Vypočítejte periodu a vlnovou délku pro frekvence 5,0 MHz a 10 MHz.
-
Jaký je vztah mezi vlnovou délkou a \(\Delta l / \lambda \)?
-
Jak se určí vzdálenost \(d\) okraje orgánu od sondy, když známe časový interval \(\Delta t\) mezi vysláním pulzu a jeho zachycením detektorem?
-
Použitelnost metody:
- Do jaké největší vzdálenosti můžeme sonografem dohlédnout, jestliže interval \(\Delta t\) musí být menší než interval mezi dvěma pulzy?
- Od jaké nejmenší vzdálenosti můžeme sonografem dohlédnout, jestliže interval \(\Delta t\) musí být delší než trvání jednoho pulzu?
-
Při vyšetření podle obrázku 22.84 zaregistrujeme tři odezvy: 10 µs, 160 µs a 310 µs po vyslání ultrazvukového pulzu. Jaká je šířka levé mozkové hemisféry?
Zdroj
1)
Zdroj
2) \(v = \frac{1{,}5\ \mathrm{cm}}{10\ \mu\mathrm{s}} = 1\,500\ \mathrm{m/s} \)
3a) Když se zvýší frekvence, hloubka zobrazované oblasti se sníží (nepřímá úměrnost).
3b) Když se zvýší frekvence, absolutní nejistota měření délky se zmenší (nepřímá úměrnost).
4) Pro 5,0 MHz: \(T=0{,}2\ \mu\mathrm{s}\) a \(\lambda=0{,}3\ \mathrm{mm}\) pro \(f=5\ \mathrm{MHz}\).
Pro 10 MHz: \(T=0{,}1\ \mu\mathrm{s}\) a \(\lambda=0{,}15\ \mathrm{mm}\) pro \(f=10\ \mathrm{MHz}\).
5) Pro určitou frekvenci je \(\Delta\lambda/\lambda=1\) čili nejistota měření je dána vlnovou délkou použitého vlnění.
6) \( d = v\frac{\Delta t}2 \)
7a) Odražený ultrazvuk musíme zachytit dříve, než sonda začne vysílat následující pulz: \(\Delta t<1\ \mathrm{ms}\), \(d_\mathrm{max}=0{,}75\ \mathrm{m}\).
7b) Odražený ultrazvuk můžeme zaznamenávat až po vyslání celého pulzu: \(\Delta t>1\ \mu\mathrm{s}\), \(d_\mathrm{min}=0{,}75\ \mathrm{mm}\).
8) 11 cm
Cvičení 2
Alpský roh
Problémová úloha – podle maturitního zadání z fyziky, Francie, 2014 (přeloženo a upraveno)
Alpský roh byl kdysi používán pastýři k vzájemnému dorozumívání. Hráč se nachází na vrcholku hory Bec de la Montau. Na svůj alpský roh hraje nejhlubší tón. Délka nástroje je 3,4 m a hladina intenzity zvuku ve vzdálenosti jeden metr od nástroje je 100 dB.
Je možné vzniklý zvuk slyšet v obci Haute Nendaz?
Zdroj
Zdroj
Předpoklady:
- Tlumení zvukových vln neuvažujeme – ztráty energie během šíření jsou zanedbatelné.
- Nástroj je izotropním zdrojem zvuku – vysílá vlny do všech směrů se stejnou intenzitou.
- Zadaná hodnota: Referenční hodnota intenzity zvuku \(I_0=10^{-12}\ \mathrm{W/m}^2\).
Dokument 1: Rychlost šíření zvuku ve vzduchu v závislosti na teplotě
| Teplota ve °C | 10 | 20 | 30 | 40 |
|---|---|---|---|---|
| Rychlost zvuku v m/s | 337 | 343 | 349 | 355 |
Dokument 2: Alpský roh – dechový hudební nástroj
Když fouknete do alpského rohu poprvé, zdá se téměř nemožné vyloudit z něj jediný hezký tón. Ale po troše tréninku se na něm dá zahrát až dvacet dva not, a to bez jakýchkoli klapek nebo pístů. Řada tónů, které lze na tomto nástroji vytvořit, závisí na jeho geometrii a na nadání hráče. První alpské rohy pocházejí ze 14. století a byly tradičně používány hlídači stád ke komunikaci na vzdálenost kolem deseti kilometrů. Tento nástroj patřící mezi žestě je vyroben z jediného kusu dřeva. Má tvar na jednom konci zahnuté trubice a měří obvykle dva až čtyři metry. Při hraní hráč fouká do nátrubku. Když zní nejhlubší tón, vlnová délka příslušné zvukové vlny je rovna dvojnásobku délky rohu.
Zdroj
Dokument 3: Intenzita zvuku izotropního zdroje
Izotropní zdroj vysílá vlny do všech směrů se stejnou intenzitou. Je-li jeho celkový akustický výkon \(P\), závisí intenzita zvuku \(I\) na vzdálenosti \(r\) od zdroje podle vztahu.
\[ I = \frac{P}{4\pi r^2}\;. \]Dokument 4: Práh slyšení v závislosti na frekvenci
Zdroj
Podle mapy je vzdálenost z vrcholu hory Bec de la Montau do vesnice Haute Nendaz přibližně 7,3 km.
Teplotu v červenci ve švýcarské vysočině odhadujeme na 20 °C.
Vlnová délka základního tónu je 6,8 m a frekvence 51 Hz.
Intenzita zvuku ve vzdálenosti 1,0 m od nástroje je 1,0 ⋅ 10−2 W/m2. Ve vzdálenosti 7,3 km od nástroje má intenzita zvuku hodnotu 1,9 ⋅ 10−10 W/m2, což odpovídá hladině intenzity 23 dB.
Podle grafu 22.90 vidíme, že hladina 23 dB je při 51 Hz pod prahem slyšení, a tedy nejhlubší tón slyšet nemůžeme.

