Почему мы не слышим свет и не видим звук

Комитет по образованию Администрации
Поспелихинского района
Алтайского края
МКОУ «Факел Социализма средняя общеобразовательная школа»
Районный конкурс для одарённых школьников и молодёжи
«Продвижение»
Направление: физика, астрономия, техника
Секция:1
Почему мы не слышим свет и не видим звук.
Автор: Когут Светлана Витальевна,
ученица 11 класса
МКОУ «Факел Социализма СОШ»
Научный руководитель: Сокольцова Ирина
Леонидовна, учитель физики,
высшей квалификационной категории
МКОУ «Факел Социализма СОШ»
Алтайский край
Поспелихинский район
п. Факел Социализма
2014 год
Оглавление:
Введение..............................................................................................................3-4
Глава 1. Свет
1.1.
Что такое свет…………………………...…………………...…….….….5
1.2.
Законы света………...………………………………………….…..…..5-6
1.3.
Явления света ………………………………………………......….….6-8
1.4 Экспериментальное «слушание» света…………….…………………....8-9
Глава 2. Звук.
2.1.
Что такое звук…………………………………………………....……....11
2.2. Свойства звука…………………..………………………..………..…..11-12
2.3. Экспериментальное «видение» звука…….…....................................12-15
Заключение.............................................................................................................16
Список источников и литературы.......................................................................17
Приложение ….................................................................................................18-19
2
Введение
Водная часть.
В повседневной жизни мы встречаемся со многими световыми и
звуковыми явлениями, но обычно не задумываемся над ними – настолько
они привычны для нас, а вот объяснить их часто затрудняемся. Но если
немного вникнуть в эту тему, то оказывается, что свет и звук не сложны
для понимания.
Свет — видимая область спектра электромагнитных излучений.
Свет можно охарактеризовать как форму материи, которая обладает
массой, распространяется с конечной скоростью, переносит с собой
энергию и количество движения.
Звук — физическое явление, представляющее собой распространение в
виде упругих волн механических колебаний в твёрдой, жидкой или
газообразной среде. В узком смысле под звуком имеют в виду эти
колебания, рассматриваемые по отношению к тому, как они
воспринимаются органами чувств животных и человека.
Многие любознательные люди задаются вопросом: почему мы не
слышим свет и не видим звук.
Мы решили выяснить это.
3
Актуальность – свет и звук играют в жизни людей немаловажную роль. В
процессе восприятия света и звука мы познаем мир. Благодаря, свету мы
видим, а звуку слышим всё, что нас окружает. Свет и звук важны в нашей
повседневной жизни. В современном мире это очень важные явления. Мы
решили более глубоко изучить эти явления и их свойства.
Объект исследования – свет и звук.
Предмет исследования – явления и свойства звука, света.
Цель – изучить световые явления и свойства звука, проанализировать и
сделать выводы: почему свет не слышим и не видим звук.
Задачи:
 Изучить свет, и его явления;
 Изучить звук, и его особенности;
 Проанализировать изученные данные и сделать вывод.
Методы исследования
 изучение литературы по теме свет и звук;
 практический метод;
 аналитический метод.
Практическая значимость – проделанную нами работу можно
использовать как вспомогательный материал на уроках физики для
расширения знаний в области изучения звуковых и световых явлений.
4
Глава 1. Свет.
1.1. Что такое свет.
Ученым потребовалось много времени, чтобы найти ответ на этот
вопрос. И ответ оказался неожиданным. Дело в том, что в одних явлениях
свет ведет себя как поток частиц (их называют квантами света, или
фотонами), в других — как волна. Например, радужная окраска CD-ROM
дисков возникает потому, что свет проявляет волновые свойства,
а отклонение кометных хвостов от Солнца объясняется световым
давлением, связанным с представлением о свете как потоке частиц.
Невозможно переоценить значение света для познания окружающего
нас мира. Ведь наибольшую часть информации о нем мы получаем
благодаря именно свету. В повседневной жизни мы встречаемся
с разными оптическими приборами — от очков до телескопов, и с
разными световыми явлениями: от радуги, до северного сеяния. Их,
конечно, не смогли бы увидеть и изучить без исследования световых
явлений.
(приложение 1)
1.2. Законы света
Основные законы света были известны задолго до установления
физической природы света.
I.Закон прямолинейного распространения света: в оптически
однородной среде свет распространяется прямолинейно. Опытным
доказательством этого закона могут служить резкие тени, отбрасываемые
непрозрачными телами при освещении светом источника достаточно
малых размеров («точечный источник»). Следует отметить, что закон
прямолинейного распространения света нарушается и понятие светового
луча утрачивает смысл, если свет проходит через малые отверстия,
размеры которых сравнимы с длиной волны.
5
II. Закон отражения света: падающий и отраженный лучи, а также
перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке
падения луча, лежат в одной плоскости (плоскость падения). Угол
отражения γ равен углу падения α.
III. Закон преломления света: падающий и преломленный лучи, а
также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в
точке падения луча, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла
падения α к синусу угла преломления β есть величина, постоянная для
двух данных сред:
Закон преломления был экспериментально установлен голландским
ученым В. Снеллиусом в 1621 г.
1.3. Световые явления
 Дисперсия
Дисперсия света – это зависимость показателя преломления вещества от
частоты (длины волны ) света или зависимость фазовой скорости световых
волн от частоты.
Проделывая опыт с призмой прямого света я увидела непрерывный
цветовой спектр.
Также дисперсию света можно увидеть на краях зеркала, или на
различных жидкостях, например мыльный раствор, или бензин.
Таким образом, с увеличением частоты света происходит возрастание
показателя преломления, которое и объясняет разложение белого света на
монохроматические составляющие. Такая дисперсия называется
нормальной.(приложение 1)
6
 Дифракция
Дифракция света – это явление, которое проявляет себя как отклонение от
законов геометрической оптики при распространении волн. Она представляет
собой универсальное волновое явление и характеризуется одними и теми же
законами при наблюдении волновых полей разной природы. (приложение 1)
 Интерференция
Интерференция — изменение в характере звуковых, тепловых, световых и
электрических явлений, объясняемое колебательным движением: в первом
случае частиц звучащего тела, в остальных трех — колебанием.
 Поляризация
Свет, в котором направления колебаний светового вектора каким-то
образом упорядочены, называется поляризованным.
Плоскость, проходящая через направление колебаний светового вектора
плоскополяризованной волны и направление распространения этой волны,
называется плоскостью поляризации.
Примеры световых явлений:
 Глория
Когда свет подвергается эффекту обратного рассеивания (дифракция света,
ранее уже отраженного в водяных кристаллах облака), он возвращается от
облака в том же направлении, по которому падал, и образует эффект,
получивший название "Глория”. Наблюдать этот эффект можно только на
облаках, которые находятся прямо перед зрителем или ниже его, в точке,
которая находится на противоположной стороне к источнику света. Таким
образом, увидеть Глорию можно только с горы или из самолета, причем
источники света (Солнце или Луна) должны находиться прямо за спиной
наблюдателя. Радужные круги Глории в Китае еще называют Светом Будды.
На этой фотографии прекрасный радужный ореол окружает тень воздушного
шара, упавшую на находящееся ниже него облако
Радужные облака.
7
Когда Солнце располагается под определенным углом к капелькам воды, из
которых состоит облако, эти капли преломляют солнечный свет и создают
необычный эффект "радужного облака”, окрашивая его во все цвета радуги.
Своей расцветкой облака, как и радуга, обязаны различной длине волн света.
(приложение 1)
 Радуга (дисперсия в природе)
Радуга — это оптическое явление, связанное с преломлением световых лучей
на многочисленных капельках дождя. Однако далеко не все знают, как
именно преломление света на капельках дождя приводит к возникновению на
небосводе гигантской многоцветной дуги. Поэтому полезно подробнее
остановиться на физическом объяснении этого эффектного оптического
явления.
Радуга глазами внимательного наблюдателя. Прежде всего, заметим, что
радуга может наблюдаться только в стороне, противоположной Солнцу. Если
встать лицом к радуге, то Солнце окажется сзади. Радуга возникает, когда
Солнце освещает завесу дождя. По мере того как дождь стихает, а затем
прекращается, радуга блекнет и постепенно исчезает. Наблюдаемые в радуге
цвета чередуются в такой же последовательности, как и в спектре,
получаемом при пропускании пучка солнечных лучей через призму. При
этом внутренняя (обращенная к поверхности Земли) крайняя область радуги
окрашена в фиолетовый цвет, а внешняя крайняя область — в красный.
Нередко над основной радугой возникает еще одна (вторичная) радуга —
более широкая и размытая. Цвета во вторичной радуге чередуются в обратном
порядке: от красного (крайняя внутренняя область дуги) до фиолетового
(крайняя внешняя область).
 Световые столбы
Такое уникальное явление как световые столбы в небе может происходить в
разных частях света. Оно может произойти практически везде, но чаще его
можно увидеть в местах с низкой температурой. Благодаря своему
происхождению, их также часто называют солнечные столбы. Световые
столбы – это ни что иное, как отражения света от пластинчатой поверхности
8
кристалликов льда, которые находятся в облаках. Световые столбы в
небе могу возникать из-за: солнечного света, лунного света или света от
уличных фонарей. Только тогда свет сможет отражаться именно от
кристаллов, формируя, таким образом, световой столб. Световой столб
выглядит как узкая колонна, поднимающаяся вертикально вверх и/или
опускающаяся вниз от источника света, и он действительно похож на своего
рода транспортный луч, особенно если это происходит ночью и вызвано
воздействием искусственного света.
1.4 Экспериментальное «слушание» света:
Мы провели следующие опыты:
1)
С призмой прямого зрения;
Мы взяли призму прямого зрения и направили её на источник света (солнце,
лампочка) и увидели непрерывный спектр. В спектре семь основных цветов:
красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый, плавно
переходящие друг в друга, не имея чётких границ.
2)
Мыльный пузырь:
На поверхности мыльного раствора с помощью стеклянной трубки выдуваем
небольшой мыльный пузырь и при освещении белым светом наблюдаем на
верхней его части образование интерференционных колец, окрашенных в
спектральные цвета. Верхний край каждого светлового конца имеет синий
цвет, а нижний – красный. Но по мере уменьшения толщины плёнки кольца
также, расширяясь, медленно перемещаются вниз. Устойчивую мыльную
плёнку можно получить из разбавленной водой шампуня с добавлением
нескольких капель глицерина.
3)
Опыт с долгоиграющей пластинкой:
Грампластинка благодаря звуковым бороздкам, нанесенным на её
поверхность, может служить хорошей дифракционной решеткой,
действующей в отраженном свете. Грампластинки :обыкновенная и
долгоиграющая, имеет соответственно 4 и 8 штрихов на один миллиметр.
Естественно, что такая грубая решетка не даст возможности наблюдать
9
дифракцию обычным способом. Однако увеличение угла падения лучей на
пластинку равнозначно уменьшению расстояния между штрихами.
При наблюдении грампластинки в отраженном свете, падающим под большим
углом в ней видны дифракционные спектры, тем более отчётливые и яркие,
чем чаще нанесены на грампластинку бороздки, и чем больше угол падения
лучей. Мы можем наблюдать яркие дифракционные спектры нескольких
порядков, расположенных по обе стороны от средней светлой линии. При
небольших поворотах грампластинки спектры раздвигаются или
сближаются, расширяются, или сужаются. Долгоиграющая грампластинка
даёт меньше спектров, чем обыкновенная, но зато спектры в ней видны более
широкие.
В ходе проведённых опытов мы убедились, что световые явления можно
увидеть, но невозможно услышать, так как человеческий органы чувств не
могут воспринимать чуждые волны (например, глаз не может принять
звуковые волны).
10
Глава 2. Звук.
2.1. Что такое звук.
Звук — физическое явление, представляющее собой распространение в
виде упругих волн механических колебаний в твёрдой, жидкой или
газообразной среде. В узком смысле под звуком имеют в виду эти
колебания, рассматриваемые по отношению к тому, как они
воспринимаются органами чувств животных и человека.
Как и любая волна, звук характеризуется амплитудой и спектром частот.
Обычно человек осознаёт колебания, передаваемые по воздуху, в
диапазоне частот от 16—20 Гц до 15—20 кГц. Звук ниже диапазона
слышимости человека называют инфразвуком; выше: до 1 ГГц, —
ультразвуком, от 1 ГГц — гиперзвуком.
2.2. Свойства звука.
 Высота звука.
Строгое определение гласит следующее: "высота звука зависит от
частоты колебания вибрирующего тела (струна, голосовые связки и т.д.).
Чем чаще колебания, тем выше звук". Это определение рассматривает
звук с точки зрения физики - так проще объяснить.
(приложение 2 )
 Тембр звука.
Когда говорят, что звук мягкий, густой, резкий, звенящий - это говорят
именно о тембре звука. Вы можете по голосу узнать своего знакомого,
потому что тембр его голоса не такой, как у других. Вы можете отличить
звук гитары от звука флейты, потому что этим инструментам присуща
своя окраска звука, свой тембр. Различие тембров объясняется тем, что у
каждого звука есть так называемые добавочные звуки, "призвуки". Их
называют обертонами. Образуются обертоны вследствие сложной формы
11
звуковой волны. Здесь мы не будем углубляться в физику, т.к. наша цель
- просто понять, что такое тембр звука.
 Частота звука.
Частота звука воспринимаемая человеком
Ухо человека, способно воспринимать не все звуковые частоты.
Доказано, что человек не может слышать звуки частотой ниже двадцати
Гц. И выше двадцати кГц. Частота звука воспринимаемая человеком
очень гибкая, так как при старении человек всё хуже слышит высокие
частоты. Звуки который превышают значения в двадцать кГц –
называются ультразвуком, хотя он не слышен ухом человека, ультразвук
широко применяется в медицине и других сферах.
 Эффект Доплера.
Обычно слушатель слышит ту же высоту тона (т. е. частоту), которую
излучает источник (без этого невозможно было бы слушать музыку).
Однако этот принцип нарушается, когда или источник, или слушатель
движутся относительно друг друга. Этот эффект был открыт в 1845 году
австрийским ученым Доплером. Физическая природа эффекта видна из
рисунка (приложение 4).Если источник создает колебания с частотой
1000 Гц, то мимо слушателя проходит 1000 волн (сжатий-разрежений) в
секунду. Но если слушатель движется навстречу источнику, то в
секунду он пересекает больше фронтов звуковых волн (встречает
больше зон сжатия-разрежения), т. е. воспринимает более высокую
частоту и слышит более высокий тон. Аналогичная картина имеет место,
когда навстречу слушателю движется источник (например, гудок
приближающегося поезда кажется выше, чем в действительности).
12
2.3 Экспериментальное «видение» звука
Мы провели следующие эксперименты:
1) Бинауральный эффект:
Бинауральный эффект – психофизиологическое явление , заключающиеся в
слитном восприятии звуков принятых правым и левым ухом.
В естественных условиях сигналы различаются по времени прихода звука,
интенсивности и его спектральной «окраски». К уху, обращённому к
источнику, звук приходит раньше, и с большей интенсивностью. Различие
спектральной «окраски» связано с дифракцией звука при огибании головы и
ушных раковин.
Бинауральныё эффект лежит в основе способности человека и животных
определять направление на источник звука.
Опыт.
Два одинаковых громкоговорителя устанавливают на некотором расстоянии
друг от друга, и включают на выход звукового генератора(3000 Гц). Плавно
поворачивая голову вправо или влево, при этом отчетливо усиливается
звучание громкоговорителей, то в правом ухе, то в левом. Но есть
положение, при котором звук слышен одинаково хорошо и правым и левым
ухом. Таким образом, закрыв глаза, можно безошибочно назвать какой
громкоговоритель отключен.
2) Опыт с камертоном:
Камертоны - вилкообразно изогнутые стальные стержни, снабженные
ножкой или рукояткой; вилка состоит из двух одинаковых ветвей. При ударе
по камертону или при приведении его в деятельное состояние смычком
получается звучание, продолжительность которого зависит от:

качества стали,

толщины и длины ветвей,
13

сопротивления воздуха,

способа укрепления ножки (например, держание в руке за ножку
уменьшает продолжительность
До 1935 года основным тоном музыкальной настройки («ля») была частота
435 герц. Но специальное обследование показало, что большинство
музыкантов предпочитают несколько более высокую частоту. Поэтому в
1935 году в нашей стране был узаконен новый тон «ля» — 440 герц.
Несколько лет спустя этот музыкальный строй был принят и в других
странах.
Опыт Вебера
Ножку звучащего камертона приставляют к середине темени. При
нормальном слухе звук передается одинаково в оба уха и место звучания
камертона определяется на середине головы или в обоих ушах. Если же
закрыть одно ухо пальцем или заткнуть его ватой, то звук воспринимается
этим ухом и источник его кажется находящимся ближе к нему
(латерализация звука). В случае односторонних заболевапий
звукопроводящего аппарата при опыте Вебера звук воспринимается больным
ухом,—звук направлен в больное ухо. Латерализация звука объясняется тем,
что в больном ухе имеются лучшие условия для резонанса, оттуда труднее
происходит отток звуковых волн, наконец, звуки извне притекают туда
меньше и тем самым не мешают восприятию звука, доставляемого через
кости черепа.
3) Опыт с гитарой
Приемником звука относится , в частности слуховой аппарат человека и
животных. В технике для приёма звука применяются главным образом
электроакустические преобразователи: в воздухе – микрофоны, в воде –
гидрофоны, в земной коре – геофоны. Основным примером могут служить
музыкальные инструменты, например гитара.
14
Гитара – струнный щипковый инструмент. Шестиструнная гитара стала
классическим инструментом.
Из проведённых экспериментов следует, что мы слышим звук разной
тональности, но увидеть его не можем.
15
Заключение:
Мы изучили световые и звуковые явления. Проделали опыты, и
убедились в том, что действительно свет можно видеть, но не слышать, а
звук можно слышать, но не видеть.
Мы не можем слышать звук, потому что наше ухо может воспринимать
звуковые волны с частотой от 16 Гц до 20 000 Гц, а световые волны имеют
частоту от 3,5*1014 Гц до 9,1*1014 Гц. Наше ухо просто не может
воспринимать световые волны.
Мы не можем видеть звук, так как наш глаз не может воспринимать
звуковые волны, из-за большой разницы длин волн.
16
Список литературы:
1.
http://siava.ru/forum/topic11800.html
2.
http://ru.wikipedia.org/wiki/%C4%E8%F4%F0%E0%EA%F6%E8%FF
3.
http://ru.wikipedia.org/wiki/%C8%ED%F2%E5%F0%F4%E5%F0%E5%E
D%F6%E8%FF_%F1%E2%E5%F2%E0
4.
http://meduniver.com/Medical/profilaktika/907.html
17
Приложения
Приложение 1
Наш глаз воспринимает электромагнитные волны с длинами от 380 до 760нм.
760 нм
380нм
Радуга
Опыт с треугольной призмой
18
Приложение 2
Эффект Доплера
Световые столбы
Глория
19
Приложение 3
Высота звука
20