Fale dźwiękowe

Zagadnienia

• Dźwięk
• Fale

Opis

Symulacja Fale dźwiękowe pozwala uczniom zbadać właściwości i zachowanie dźwięku w powietrzu. Dostosuj częstotliwość lub głośność, aby zobaczyć i usłyszeć, jak zmienia się fala. Przesuwaj odbiorcę i słuchaj tego, co słyszy.

PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, https://phet.colorado.edu Na licencji CC BY 4.0

W opracowaniu niniejszego poradnika wykorzystano materiały PhET: Strona źródłowa symulacji, Teacher Tips (Blackman, sierpień 2023) oraz Sound - model description

W szablonie strony wykorzystano kod html/css: phydemo.app.

Poziom

Szkoła średnia

Przykładowe cele nauczania

• Wyjaśnij, w jaki sposób różne dźwięki są modelowane, opisywane i wytwarzane.
• Zaprojektuj sposoby określania prędkości, częstotliwości, okresu i długości fali modelu fali dźwiękowej.

Przykładowe materiały teoretyczne

• Fale akustyczne (Wikipedia)
• Fale dźwiękowe jako przykład fal harmonicznych (ZPE)
• Fale dźwiękowe (OpenStax)

Sterowanie symulacją

Wszystkie ekrany w tej symulacji zawierają głośniki emitujące fale dźwiękowe, które rozchodzą się po ekranie w kształcie stożka. Gdy fale się rozchodzą, ich natężenie maleje wraz z oddalaniem się od źródła, aż do pewnej odległości, po osiągnięciu której fale całkowicie zanikają. Częstotliwość i początkową amplitudę fal można ustawić za pomocą suwaków w interfejsie użytkownika.

Każdy ekran przedstawia obszar fal o szerokości i wysokości 10 metrów.

Fale reprezentują fale dźwiękowe i mają prędkość 343 m/s.

Częstotliwość fal można ustawić w zakresie od 100 do 1000 Hz.

Ekran Wstęp (link bezpośredni)

Na ekranie wprowadzającym uczniowie mogą zbadać związek między częstotliwością, wysokością, amplitudą, głośnością i długością fali fal dźwiękowych.

Ekran Pomiar (link bezpośredni)

Na ekranie Pomiar uczniowie mogą mierzyć prędkość, długość fali i okres fal dźwiękowych. Ten ekran ma dwa dodatkowe elementy: linijkę o długości 5 metrów oraz stoper, który mierzy czas w ms.

Ekran Dwa źródła (link bezpośredni)

Na ekranie Dwa źródła uczniowie mogą badać obraz interferencyjny powstający w wyniku konstruktywnego i destruktywnego nakładania się fal dźwiękowych. Ekran ten zawiera dwa głośniki, z których jeden jest ruchomy, dzięki czemu pokazuje efekt interferencji nakładających się na siebie dwóch fal dźwiękowych.

Ekran Odbicie (link bezpośredni)

Na ekranie Odbicie uczniowie mogą zbadać wpływ powierzchni odbijającej na kierunek rozchodzenia się fal. Ten ekran ma ruchomą ścianę, która odbija falę. Kąt padania jest równy kątowi odbicia. Po odbiciu fala będzie interferować sama ze sobą.

Ekran Ciśnienie powietrza (link bezpośredni)

Na ekranie Ciśnienie powietrza uczniowie mogą zbadać rolę ośrodka w rozchodzeniu się dźwięku. Na tym ekranie głośnik będzie umieszczony w pojemniku, w którym można kontrolować ciśnienie powietrza. Natężenie fal będzie liniowo odpowiadać ciśnieniu powietrza. Ciśnienie może wynosić od 0 do 1 atm.

Opcje dostosowywania

Poniższe parametry query umożliwiają dostosowanie symulacji i można je dodać, dołączając znak '?' do adresu URL symulacji i oddzielając każdy parametr query znakiem '&'. Ogólny wzorzec adresu URL to: …html?queryParameter1&queryParameter2&queryParameter3

Na przykład, jeśli w symulacji Fale dźwiękowe chcesz uwzględnić tylko pierwszy i drugi ekran (screens=1,2), z domyślnie otwartym drugim ekranem (initialScreen=2), użyj: https://www.edukator.pl/simulations/sound-waves_all.html?screens=1,2&initialScreen=2

Aby uruchomić to w języku polskim (locale=pl), adres URL będzie wyglądał następująco: https://www.edukator.pl/simulations/sound-waves_all.html?locale=pl&screens=1,2&initialScreen=2

Wskazuje, że dostęp do tego dostosowania można uzyskać też z menu Preferencje w symulacji.

Parametr query i opis	Przykłady
screens - określa, które ekrany są włączone do symulacji i jaka jest ich kolejność. Każdy ekran powinien być oddzielony przecinkiem. Więcej informacji można znaleźć w Centrum pomocy.	screens=2,1 screens=3
initialScreen - otwiera kartę SIM bezpośrednio na określonym ekranie, z pominięciem ekranu głównego.	initialScreen=1 initialScreen=2
locale - określa język symulacji przy użyciu kodów ISO 639-1. Dostępne wersje językowe można znaleźć na stronie symulacji w zakładce Tłumaczenia. Uwaga: działa to tylko wtedy, gdy adres URL symulacji kończy się na “_all.html”.	locale=pl (polski) locale=fr (francuski)
colorProfile - zmienia kolory symulacji dla łatwiejszej projekcji (jeśli dostępne).	colorProfile=projector
audio - jeśli muted, dźwięk jest domyślnie wyciszony. Jeśli disabled, cały dźwięk jest trwale wyłączony. (nie powoduje to usunięcia elementów sterujących dźwiękiem na ekranie - w tym drugim przypadku pozostają one nieaktywne)	audio=muted audio=disabled
allowLinks - jeśli false, wyłącza linki, które prowadzą uczniów do zewnętrznego adresu URL. Domyślnie jest true.	allowLinks=false
supportsPanAndZoom - gdy true, umożliwia przesuwanie i powiększanie symulacji za pomocą pinch-to-zoom lub elementów sterujących zoomem przeglądarki.	supportsPanAndZoom=false

Ułatwienia dostępu

Tryb pełnoekranowy

Po kliknięciu logo PhET (na dole po prawej) pojawia się okno zawierające informacje dotyczące symulacji. Możemy tu zmienić sposób jej wyświetlania.

Klikając Pełny ekran przechodzimy do trybu pełnoekranowego (powrót - klawisz escape).

Wersje offline, niewymagające połączenia z internetem

Dostępne są również wersje symulacji niewymagające połączenia z internetem.

Aplikacja PhET Desktop zawiera wszystkie symulacje HTML5 i Java, w tym ich tłumaczenia, do użytku offline w systemach Windows i macOS (dostępne po zalogowaniu tu). Symulacje HTML5 nie wymagają dodatkowego oprogramowania, natomiast do uruchamiania dowolnych symulacji Java w aplikacji komputerowej jest wymagany Java SE Development Kit 8.

Za symboliczną opłatą możemy pobrać w postaci jednej aplikacji wszystkie materiały PhET, które zostały opublikowane w html5. Telefony, tablety i Chromebooki (z systemem Android): Google Play. iPhone'y i iPady (aplikacja na iOS): App Store

Darmową wersję desktopową tej aplikacji pobierzemy bezpośrednio klikając tu - wersja _pl zawiera polską (domyślną) i angielską wersję językową i tu - wersja _all zawiera angielską (domyślną) i wszystkie inne dostępne wersje językowe lub ze strony PhET (klikając przycisk ze strzałką przy wybranej wersji językowej):

Spostrzeżenia na temat korzystania z aplikacji przez uczniów

• Pole wyboru Dźwięk słuchacza musi być zaznaczone, aby słyszeć dźwięk odbierany przez osobę.
• Jeśli uczniowie nie zostaną o to poproszeni, mogą nie zauważyć, że na ekranie Dwa źródła mogą przeciągnąć osobę oraz dolny głośnik.
• Podczas konfigurowania eksperymentu pomocne może być najpierw wstrzymanie symulacji. Przycisk krok naprzód to dobry sposób na stopniową analizę.

Uproszczenia modelu

• Na ekranie Forma dyskretna wyrażenia z szeregu Fouriera nazywamy "harmonicznymi", ponieważ każda z nich ma częstotliwość będącą całkowitą wielokrotnością częstotliwości podstawowej. Jednak na ekranie Paczka falowa wyrażenia wyświetlane na wykresie Składowe nie są harmonicznymi, więc używamy bardziej ogólnego terminu "składowa".
• Pole wyboru Nieskończony szereg harmonicznych na ekranie Forma dyskretna wyświetla przebieg wynikający z nieskończonej liczby składowych harmonicznych. Jest ono aktywne tylko dla przebiegów trójkątnych, kwadratowych i piłokształtnych.
• Gra wymaga dokładnych odpowiedzi, aby można je było uznać za poprawne.
• Używamy konwencji dotyczącej liczby falowej k, zwykle stosowanej w fizyce (k = 2π/λ), a nie konwencji stosowanej w spektroskopii (k = 1/λ).
• Na ekranie Paczka falowa, σ_k i σ_x są odchyleniami standardowymi krzywych Gaussa odpowiednio w przestrzeni Fouriera i położenia. Podlegają one zasadzie nieoznaczoności σ_kσ_x=1. Używamy raczej σ_k niż Δk, ponieważ uczniowie interpretowali to jako "zmianę k". Łatwiej jest również wskazać szerokość na wykresach za pomocą odchylenia standardowego niż niepewności.
• Składowe na ekranie Paczka falowa to wyrazy w szeregu Fouriera. Pojawiają się one w ustalonych miejscach, a ich amplitudy zmieniają się wraz ze zmianą środka lub szerokości paczki falowej. Rozkład może okazać się asymetryczny, jeśli rozstaw między składowymi jest duży, odchylenie standardowe jest małe lub środek nie pokrywa się z rozstawem składowych.
• Zakresy suwaków na ekranie Paczka falowa zostały wybrane w celu uniknięcia niedostatecznego próbkowania, które występowało w wersji Java.
• Radiany są bezwymiarowe i pomijane w mianowniku dla σ_x i σ_t.
• Wszystkie osie y na ekranie Paczka falowa są skalowane automatycznie. Skala osi y dla wykresów Amplitudy i Składowe nie będzie jednak zgodna. Jeśli środek paczki falowej nie jest całkowitą wielokrotnością rozstawu składowych, maksymalna amplituda składowych będzie mniejsza niż szczytowa amplituda fali ciągłej.

Sugestie dotyczące wykorzystania

Wskazówki dotyczące wszystkich symulacji zawarte są w informacjach ogólnych.

Więcej porad dotyczących korzystania z symulacji z uczniami można znaleźć na stronach PhET w sekcji Wskazówki dotyczące korzystania z PhET.

• Określ matematyczną zależność pomiędzy częstotliwością i długością fali.
• Zaprojektuj doświadczenie w ramach symulacji, aby określić prędkość dźwięku w powietrzu.
• Zbadaj efekty interferencji dźwięku z dwóch źródeł i ich przejawy w symulacji.
• Przeprowadź eksperyment próżnia w naczyniu, aby zobaczyć, jak dźwięk zachowuje się w próżni.

Przykładowe polecenia

• Zaprojektuj eksperyment przy użyciu symulacji, aby określić, czy na prędkość dźwięku mają wpływ właściwości jego źródła, takie jak częstotliwość lub amplituda jego drgań.
• Eksperymentuj z falami dźwiękowymi uderzającymi w różne powierzchnie i pod różnymi kątami. Określ regułę dotyczącą odbijania się fal dźwiękowych od tych powierzchni. Czy reguła ta jesttaka sama dla różnych kątów?
• W ramach symulacji opisz efekty zaobserwowane we wzorze interferencji fal z dwóch źródeł. Co się dzieje, gdy źródła zbliżają się do siebie? Co się dzieje, gdy zmienia się częstotliwość źródeł?

Zobacz wszystkie opublikowane na stronach PhET aktywności dla Fale dźwiękowe tutaj (dostęp do materiałów wymaga zalogowania).