Lydens univers Lærerens bog med øvelser

Transkript

1 10 Lydens univers Lærerens bog med øvelser Anette Sønderup

2 Ny Prisma 10. Lydens univers Lærerens bog Samhørende titler: Ny Prisma 10. Lydens univers Elevbog Forfattere: Anette Sønderup Forlagsredaktion: Erland Andersen, Lone Bruun Grafisk tilrettelægning: Martin Bang Dahl Omslag: Trine Rossle, Martin Bang Dahl Illustrationer: Claus Rye Schierbeck Tryk: IKON Tekst & Tryk A/S Cd en Lyd, støj og hørelse distribueres efter aftale med Arbejdsmiljørådets Service Center, Malling Beck A/S og Anette Sønderup udgave, 1. oplag Mekanisk, fotografisk, elektronisk eller anden gengivelse af denne bog eller dele heraf er kun tilladt efter Copy-Dans regler. Dette materiale indeholder desuden kopiark på tryk og i elektronisk form. Kopiarkene er solgt på den betingelse, at de hverken erhvervsmæssigt eller på anden måde bruges til mangfoldiggørelse ud over den enkelte købers eget forbrug. Herved forstås, at den skole, institution eller den privatperson, der køber kopiarkene, kun må mangfoldiggøre dem eller dele deraf til brug i undervisningsvirksomhed, som drives umiddelbart af den købendes institution. Mangfoldiggørelse, der tilsigter at dække flere skoler eller undervisningsinstitutioners behov, kan kun ske med skriftlig tilladelse fra forlaget. ISBN: Printed in Denmark 2002

3 Fjederpendulet Kopiark 1.1 Når fjederen er forlænget stykket x, bliver loddet påvirket af en kraft, F, fra fjederen. I et fjederpendul er loddet påvirket af en kraft fra fjederen. Kraften kaldes fjederkraften, F, og den er givet ved den lineære funktion F = k. x, hvor k er fjederkonstanten, og x er fjederens forlængelse. Fjederkonstanten er et mål for fjederens stivhed. Jo mere man skal trække i fjederen for at forlænge den, jo større er fjederkonstanten. Fjederkonstanten måles i newton pr. meter, N/m. Der skal bruges mange kræfter for at forlængde en kraftig fjeder, fjederkonstanten, k, er stor. Når loddet hænger i hvile, har fjederkraften, F, samme størrelse som tyngdekraften på loddet. Fjederpendulets svingningstid, T, afhænger af loddets masse, m, og fjederkonstanten, k. T = 2. π. m k Formlen gælder kun for en let fjeder, hvor fjederens masse er meget mindre end loddets. Lydens univers, kopiark til fri kopiering

4 Svingningstiden for et snorpendul Undersøg, hvad der bestemmer svingningstiden for et snorpendul Forsøgsstativ - Snor - Forskellige lodder - Stopur Når du måler svingningstiden for et pendul, finder du tiden for 10 svingninger, og herefter dividerer du tallet med 10. Snorlængden måler du fra ophængspunktet til loddets midte. Hvilke variable tror du bestemmer et penduls svingningstid? Planlæg et forsøg, hvor du undersøger, om dit foregående svar er korrekt. Beskriv forsøget og tegn skemaer til forsøgsresultaterne som herunder. Brug evt. bagsiden af papiret. Snorlængden og amplituden er konstant. Loddets masse Svingningstid Vis din lærer beskrivelsen og skemaerne, inden du går i gang med forsøget. Hvad viser forsøget? 1

5 Svingningstiden for et fjederpendul 1 Undersøg, hvad der bestemmer svingningstiden for et fjederpendul Forsøgsstativ - Forskellige fjedre - 2 lodder med forskellig masse - Stopur - Lineal Når du måler svingningstiden, finder du den gennemsnitlige svingningstid for 10 svingninger. Undersøg, hvilke variable der bestemmer pendulets svingningstid. Udfør forsøg og udfyld skemaet nedenfor. Svingningstiden for Let lod Tungt lod Blød fjeder lille amplitude s s Blød fjeder større amplitude s s Hård fjeder lille amplitude s s Hård fjeder større amplitude s s Hvordan er fjederens hårdhed, loddets masse og amplituden ved pendulerne med henholdsvis den korteste og den længste svingningstid? Fjederpendulet med den korteste svingningstid har Fjederpendulet med den længste svingningstid har 2

6 Svingningstiden for et fjederpendul 2A Undersøg, hvad der bestemmer svingningstiden for et fjederpendul Forsøgsstativ - Forskellige fjedre - Bevægelsessensor - Slidslodder med holder - Pasco interface - Computer - Fil lyd1.sws Bevægelsessensoren er opbygget som et ekkolod. I sensoren er placeret en transducer, der både fungerer som sender og modtager af ultralyd. Sensoren kan registrere afstanden fra bevægelsessensoren til loddet. Vælg den korte afstand øverst på bevægelsessensoren. Anbring loddet, så det i hvilestilling hænger mindst 55 cm over bevægelsessensoren. Tænd for interfacet og computeren. Tilslut det gule stik fra bevægelsessensoren til digital-indgang 1, og det sorte stik til digital-indgang 2. Træk den digitale ikon op over indgang 1 og vælg Bevægelsessensor fra menuen. Tryk på ikonen for bevægelsessensoren og sæt trigger-frekvensen til 80 Hz. Træk Tabel op over digital-indgang 1 og vælg Position, x (m). Gentag dette med grafikonen. For at justere y-aksen på grafen skal du trykke på Position (m) ved siden af y-aksen og sætte minimum til 0.45 og maksimum til

7 Svingningstiden for et fjederpendul 2B 1.4 Tryk på Optag og hold øje med grafen. Når vinduet er fyldt ud, trykker du på Stop. Find den ikon i grafvinduet, du kan benytte til at finjustere akserne med. Undersøg, hvordan du kan bestemme sammenhørende x- og y-værdier på grafen. Hvordan kan du bestemme fjederpendulets svingningstid? Undersøg hvilke variable, der har indflydelse på pendulets svingningstid. Udfør forsøg og udfyld skemaet nedenfor. Svingningstiden for Let lod Tungt lod Blød fjeder lille amplitude s s Blød fjeder større amplitude s s Hård fjeder lille amplitude s s Hård fjeder større amplitude s s Hvordan er fjederens hårdhed, loddets masse og amplituden ved pendulerne med henholdsvis den korteste og den længste svingningstid? Fjederpendulet med den korteste svingningstid har Fjederpendulet med den længste svingningstid har 4

8 Fjederkonstanten 1A Bestem fjederkonstanten for fjedre med forskellig hårdhed fjedre med forskellig hårdhed - 2 kraftmålere - Lineal - Stativ - 2 elastikker I et fjederpendul er fjederkraften, F, givet ved den lineære funktion: F = k. x, hvor k er fjederkonstanten, og x er fjederens forlængelse. Hvis F afbildes som funktion af x i et koordinatsystem, kan k findes som stigningstallet for den rette linje. Find sammenhængende værdier mellem fjederens forlængelse, x, og fjederkraften, F, ved de forskellige fjedre. Indsæt måleresultaterne i skemaerne. Beskrivelse af fjederen: F målt i newton, N x målt i meter, m Beskrivelse af fjederen: F målt i newton, N x målt i meter, m 5

9 Fjederkonstanten 1B 1.6 Beskrivelse af fjederen: F målt i newton, N x målt i meter, m Indsæt måleresultaterne i et koordinatsystem og bestem fjederkonstanten for de tre fjedre. Hvilken sammenhæng er der mellem fjederens hårdhed og fjederkonstanten? 6

10 Fjederkonstanten 2A Bestem fjederkonstanten for fjedre med forskellig hårdhed fjedre med forskellig hårdhed - Lineal - Computer - Pasco interface - Kraftmåler - Fil lydf2.sws - Stativ - 2 elastikker Tænd interfacet og computeren. Start programmet Science Workshop. Slut kraftmåleren til Analog Indgang A. Vælg Filer fra menuen efterfulgt af Åbn. Hent forsøget lydf2.sws. I filen lydf2.sws er en tabel, der angiver sammenhørende værdier af kraften på fjederen og fjederens forlængelse. Optagelsen af data styres fra tastaturet. Byg forsøgsopstillingen som vist. Når fjederen er hængt op i kraftmålerens krog, nulstilles kraftmåleren ved at trykke på Tare. Knappen findes på kraftmålerens forside. Tryk på ikonen Optag. Rammen nedenfor dukker op. Belast ikke fjederen i den første måling. Science Workshop har sat forlængelsen til 0. Tryk på Indtast i Keybord-vinduet for at indlæse værdierne. Tabellen viser sammenhørende værdier af fjederforlængelsen og kraften på fjederen. Træk fjederen 5 cm væk fra hvilestillingen. Ret til 0.05 og tryk på Indtast. 7

11 Fjederkonstanten 2B 1.8 Fortsæt med at forlænge fjederen med 5 cm ad gangen, indtil du har gennemført 5-6 målinger. Stop dataindsamlingen ved at trykke på Stop målinger. Træk ikonen Graf op over Indgang A på interfacet. Find uret nederst i grafvinduet og vælg Forlæ. (m). Nu viser koordinatsystemet kraften som funktion af fjederforlængelsen. Maksimèr vinduet og tilpas akserne ved at trykke på Er det en lineær funktion? Begrund dit svar. Science Workshop kan tegne den bedste rette linje gennem en stribe forskellige punkter, det kaldes Lineær tilpasning. I tilgift angiver Science Workshop ligningen for den rette linje: y = a1 + a2x, hvor a1 er skæringen med y-aksen, og a2 er linjens stigningstal. Vælg efterfulgt af. Vælg Tilpas kurve efterfulgt af Lineær tilpasning. Stigningstallet a2 angiver fjederkonstanten. Udskriv grafen og notér de tre fjederkonstanter. Fjederbeskrivelse Fjederkonstant Hvilke sammenhæng er der mellem fjederens hårdhed og fjederkonstanten? 8

12 Broers stabilitet A Undersøg kendte broers stabilitet. 1.9 Det er broens egenfrekvens og dens bredde, der er afgørende for, hvilken vindfart broen kan holde til. Ingeniørerne udfører mange beregninger, når de skal konstruere nye broer. De fleste af beregningerne er meget indviklede, men de har dog også en simpel designregel for broers stabilitet. Designreglen: Det er broens egenfrekvens, f, og broens bredde, B, der er bestemmende for den vindfart, v, broen kan holde til. Hvis brodækket har et vindtæt autoværn eller rækværk, gælder at: v f. B < 4 Hvis broen har et åbent trapezformet dæk, kan den klare en meget højere vindstyrke, her gælder at: v f. B < 10 9

13 Broers stabilitet B Fakta om broer Bro Brodæk Dæksbredde Egenfrekvens Tacoma Lukket 12,0 m 0,20 Hz Ny Lillebæltsbro Åbent 33,1 m 0,55 Hz Storebælt Østbroen Åbent 31,0 m 0,27 Hz Øresund Åbent 24,8 m 1,03 Hz Farø Lukket 23,0 m 1,20 Hz Brug den simple designregel til at beregne, hvilke vindstyrker de forskellige broer kan holde til. Udfyld anden kolonne i skemaet nedenfor. Man kan omregne fra en fart, der er opgivet i m/s til km/t ved at gange med 3,6. Omregn farten til km/t og notér resultatet i den sidste kolonne i skemaet. Maksimale vindstyrker Bro Maksimal vindstyrke Maksimal vindstyrke Tacoma m/s km/t Ny Lillebæltsbro m/s km/t Storebælt Østbroen m/s km/t Øresund m/s km/t Farø m/s km/t Den 7. november 1940, da Tacomabroen styrtede sammen, var vindstyrken 19 m/s. Kunne broen holde til det ifølge designreglen? Begrund svaret. I Danmark blev der under orkanen den 2. december 1999 målt en vindstyrke på 43 m/s. Gav det problemer for nogle af de danske broers stabilitet? Begrund svaret. 10

14 Bølgeegenskaber for snorbølger A Vis bølgeegenskaberne for snorbølger En 2 m spiralfjeder - Kridt - 2 elever Tegn en kridtstreg midt på gulvet. Du frembringer en bølgetop ved hurtigt at trække fjederens ende 5-10 cm væk fra midterstregen og tilbage igen. Tag fat i hver sin ende af fjederen og placer den på kridtstregen. A sender en bølgetop af sted, mens B holder fjederen i ro. Hvad sker der med bølgetoppen, når den rammer B? 11

15 Bølgeegenskaber for snorbølger B 1.12 A og B sender på samme tid en bølgetop af sted fra samme side af fjederen, se tegningen på forrige øvelsesark. Vis på tegningen nedenfor, hvad der sker, når de to bølgetoppe mødes. Før mødet Under mødet Når de to bølgetoppe mødes Før mødet Under mødet A og B sender på samme tid en bølgetop af sted, der vender til hver sin side, se tegningen ovenfor. Vis på tegningen nedenfor, hvad der sker, når de to bølgetoppe mødes. Når de to bølgetoppe mødes Hvad er interferens? 12

16 Bølgers fart Beregn bølgers fart i forskellige materialer ud fra bølgeformlen m spiralfjeder, 1 cm Ø - 2 m gummislange, 6/9 cm Ø - Forskellige snore à 3,5 m - Kridtstykke - 3 elever - Stopur Afmærk med kridtet en linje på ca. 3,40 m på gulvet. Linjen markerer fjederens ligevægtsstilling. A og B holder fast i hver sin ende af den udspændte fjeder, der befinder sig lige over kridtstregen. A bevæger nu sin fjederende fra side til side, så der opstår en stående bølge. Iagttag den stående bølge. Brug kridtet til på gulvet at tegne en hel periode med bølgetop og bølgedal. I nogle tilfælde kan I dog kun tegne en halv periode. Frembring bølgen igen og kontrollér, at bølgetegningen er i orden. Et fast punkt på elastikken svinger hele tiden fra side til side. Frekvensen, f, kan bestemmes ved først at måle, hvor lang tid, t, et bestemt punkt er om at svinge frem og tilbage 10 gange. Herefter beregnes f af: f = 10 t Mål bølgelængden og beregn frekvensen og farten. Skriv resultaterne i skemaet. Materiale Bølgelængde i m Frekvens i Hz Bølgefart i m/s Spiralfjeder 2 m, 1 cm Ø Gentag forsøget med gummislangen og forskellige snore. Skriv resultaterne i skemaet. Se på skemaet og notér, hvilke variable der har betydning for bølgernes fart? 13

17 Fra svingninger til lyd Undersøg, hvordan stemmegafler udsender lyd Stemmegaffel - Anslagshammer - Hyldemarvskugle i snor - Skål - Stol med metalben og træsæde - Træklods Udfør de viste forsøg. I alle forsøgene skal du anslå stemmegaflen først. Hvad sker der, når en stemmegaffel svinger? Hvilke medier kan lyden bevæge sig i? Hvordan tror du, at lyden bevæger sig gennem luften? 14

18 Effektiv lydtransport A Undersøg, hvordan I effektivt kan sende lydsignaler over afstande Del jer i to grupper og forestil jer, at I befinder jer på hver side af et 200 meter bredt sumpområde fyldt med krokodiller. Den ene gruppe skal viderebringe en livsvigtig besked til den anden, og I har ingen elektronisk kommunikationsudstyr til rådighed. Til gengæld har hver gruppe medbragt en materialekasse med forskelligt relevant udstyr. Planlæg et forsøg, hvor I kan sende en besked 200 meter i fri natur. Skriv en liste over de materialer, I skal bruge. Find materialerne og gå ud på skolens idrætsanlæg og afprøv forsøget. Beskriv jeres forsøg og forklar, hvordan I fremmer lydens transport i luften. 15

19 Effektiv lydtransport B Undersøg, hvordan I kan gøre lyden kraftigere Tragte i forskellige størrelser - Rør i forskellige længder og diametre - Plastslanger i forskellige længder og diametre - Aviser - Tape - Saks - Markeringskegler - Lydmåler - Kasse med lydkilde I kassen er der en lydkilde, som ikke kan høres. Fremstil et apparat, der forstærker lyden, så du kan høre hvilken lydkilde, der gemmer sig i kassen. Tegn og beskriv, hvordan du forstærkede lyden. Torvehandlere og cirkusfolk bruger sommetider en råber til at forstærke lyden, når de ønsker folks opmærksomhed. Find et lokale, hvor andre ikke bliver generet af jeres støj. Fremstil en effektiv råber og undersøg, hvor mange db råberen forstærker lyden. Beskriv jeres råber og dens effektivitet. Brug bagsiden af papiret. Frembring trompetlyde i forskellige længder af rør og undersøg, om lyden bliver kraftigere, når du anbringer en tragt i enden af røret. Hvad viser forsøget? Brug bagsiden af papiret. 16

20 Lydens fart i atmosfærisk luft Bestem lydens fart i atmosfærisk luft Bevægelsessensor - Målebånd - Reflekterende plade - Computer - Pasco interface - Fil lyd3.sws Bevægelsessensoren er opbygget som et ekkolod. I sensoren er placeret en transducer, der både fungerer som sender og modtager af ultralyd. Sensoren registrerer hele tiden, hvor lang tid der går, fra transduceren har udsendt et signal, til den modtager ekkoet. Vælg den korte afstand øverst på bevægelsessensoren. Anbring bevægelsessensoren som vist på tegningen. Mål afstanden mellem sensorens kant og pladen, læg 2,5 cm til afstanden. Nu har I den strækning, lyden bevæger sig mellem sensoren og pladen. Tænd for interfacet og computeren. Tilslut det gule stik fra bevægelsessensoren til digital-indgang 1, og det sorte stik til digital-indgang 2. Træk den digitale ikon op over indgang 1 og vælg Bevægelsessensor fra menuen. Tryk på ikonen for bevægelsessensoren og sæt trigger-frekvensen til 10 Hz. Træk Cifre op over digital-indgang 1 og vælg Lydimpulsens frem og tilbage tid techo(s). Dobbeltklik på ciffervisningsvinduet og sæt antal cifre til 4. Tryk på Vis. Beregn lydens fart som: fart = strækning tid = m s = m/s Hvordan stemmer dit resultat med tabelværdien side 21 i elevbogen? 17

21 Toners frekvens Bestem forskellige lydgiveres frekvens Stemmegafler med forskellige frekvenser - Resonanskasse - Anslagshammer - Lod eller elastik til frekvensændring - Tv - Summer - Stativ - Mikrofon - Frekvensmåler Indstil frekvensmåleren til at måle, hvor mange impulser mikrofonen opfanger i løbet af 1 sekund. Tallet angiver frekvensen i Hz. Find de forskellige frekvenser og udfyld skemaet: Frekvenser Lydgiver 1. måling 2. måling 3. måling Gennemsnit Stemmegaffel, 440 Hz Tv s hyletone Telefons klartone Summer Forsøgsperson A, dybeste tone Forsøgsperson A, højeste tone Vurdér om frekvensen har betydning for, om en lydgiver er behagelig eller irriterende at lytte til. Hvordan tror du, at loddet påvirker stemmegaflens frekvens? Undersøg, om dine betragtninger omkring loddet er rigtige. 18

22 Lydens refleksion Undersøg lydens refleksion Tonegenerator - Højtaler - Paprør ca. 50 cm 5,5 cm - Oscilloskop - Mikrofon - Reflekterende plade For at opnå gode resultater skal du undgå, at skabe, gulv eller vægge i nærheden af forsøgsopstillingen reflekterer lyden. Rørets diameter skal være så stor, at det opfanger alle lydbølgerne. Afmærk en lodret linje midt på den reflekterende plade. Tegn på bordet med kridt en halvcirkel, der har centrum midt for pladen og radius på ca. 20 cm. Se tegningen. Placér midten af røret, så indfaldsvinklen bliver ca. 30. Tilslut højtaleren til tonegeneratoren og indstil frekvensen på ca Hz. Justér amplituden, så lyden svagt kan høres. Send lyden ind gennem paprøret. Tilslut mikrofonen til oscilloskopet, så du kan holde øje med lydens intensitet. Læs evt. om lydbilleder side 39 i elevbogen. Sæt mikrofonen direkte til rørets munding og justér oscilloskopets y-akse. Undersøg, hvordan lyden reflekteres ved at placere mikrofonen i forskellige positioner. Hold øje med lydbilledet på oscilloskopet. Beskriv lydens refleksion. 19

23 Lydens fart i kuldioxid og helium A Bestem lydens fart i kuldioxid og helium Bevægelsessensor - Pasco interface - Computer - Rør med lukkepropper, ca. 50 cm 4 cm - 2 glasrør - Gummiprop - Kuldioxid - Helium - Fil lyd4.sws - Gummislange, 40 cm Luk røret i den ene ende og få din lærer til at fylde det med kuldioxid. Se tegningen. Placér bevægelsessensor og røret med kuldioxid som vist. 20

24 Lydens fart i kuldioxid og helium B 2.3 Vælg den korte afstand øverst på bevægelsessensoren. Tænd for interfacet og computeren. Tilslut det gule stik fra bevægelsessensoren til digital-indgang 1, og det sorte stik til digital-indgang 2. Træk den digitale ikon op over indgang 1 og vælg Bevægelsessensor fra menuen. Tryk på ikonen for bevægelsessensoren og sæt trigger-frekvensen til 100 Hz. Træk Cifre op over digital-indgang 1 og vælg Lydimpulsens frem og tilbage tid techo(s). Dobbeltklik på ciffervisningsvinduet og sæt antal cifre til 4. Tryk på Vis. Beregn lydens fart i kuldioxid som: fart = strækning tid = m s = m/s Gentag forsøget med helium, men nu skal rørets åbning vende nedad. Hvorfor skal rørets åbning vende nedad, når vi bruger helium, og opad når vi bruger kuldioxid? Lydens fart i helium = strækning tid = m s = m/s Hvordan stemmer dine resultater med tabelværdierne side 21 i elevbogen? 21

25 Knaset i tyggegummi Undersøg, hvordan forskellige slags tyggegummi knaser Rød Stimorol, Original Chewing Gum med sukkerdragé - Sort Stimorol, Hot Rush med isomalt dragé - Grøn Stimorol, Spearmint med sorbitoldragé Tyggegummi er overtrukket med en dragéskal, som består af sukker eller et andet sødestof. De tre typer tyggegummi fra materialelisten kan selvfølgelig erstattes af andre mærker. I skal blot sikre jer, at tyggegummiet har de rigtige typer dragé. Når du skal vurdere knaset i tyggegummiet, skal du lægge tyggegummiet ind mellem kindtænderne og bide kraftigt sammen i ét tyg. Den lyd, du hører inde i hovedet under det første knæk, er tyggegummiets knas. Når du vurderer, hvor længe tyggegummiet knaser, skal du tælle, hvor mange gange du tygger, før knasene forsvinder. Undersøg, hvilken betydning dragéen har for tyggegummiets knas og knaselydenes varighed. I vurderingen skal du være opmærksom på: knasets frekvens, dragéens hårdhed, hvordan dragéen går i stykker og antal tyg med knaselyde. Hvad viser forsøget? Isomalt dragé Sukkerdragé Sorbitoldragé Hvilken betydning har knaset for smagen? Skriv på bagsiden af papiret. Du kan udvide forsøget ved at undersøge, hvordan fugt påvirker knaset. Anvend de samme typer tyggegummi, men opbevar halvdelen af tyggegummiet i et døgn i en pose med fugtigt vat. 22

26 Dopplereffekten Lyt til dopplereffekten Summer - Batteri, 4,5 V - Snor - 2 krokodillenæb Gå udendørs med materialerne, da forsøget er støjende og kræver god plads. Tilslut summeren til batteriet og bind begge dele godt fast i snoren. Den ene af jer svinger summeren rundt, mens de øvrige lytter. Beskriv hvordan summerens frekvens ændrer sig, alt efter om den er på vej mod eller væk fra lytteren. Prøv ud fra teorien om dopplereffekten at beskrive, hvad der er årsagen til frekvensændringen. 23

27 Resonans i rør Find resonansfrekvenserne for rør Tonegenerator - Højtaler - Paprør i forskellige længder - Lydmåler - Frekvensmåler Hold et rør op for et øre og lyt til dine kammeraters tale og de lyde, der omgiver dig. Beskriv, hvordan rørene påvirker lydene. Tilslut højtaleren til tonegeneratoren. Vælg en lav lydstyrke. Anbring højtaleren for den ene ende af et paprør og skru langsomt op for frekvensen. Hvordan kan du vide, at du rammer en af resonansfrekvenserne? Notér rørlængden og resonansfrekvenserne i skemaet. Kontrollér evt. frekvenserne med frekvensmåleren. Resonansfrekvenser Rørets længde m Hz Hz Hz Hz m Hz Hz Hz Hz m Hz Hz Hz Hz m Hz Hz Hz Hz Hvad betyder rørlængden for resonansfrekvenserne? Hvilke sammenhæng er der mellem det enkelte rørs resonansfrekvenser? 24

28 Lydbølgers interferens A Undersøg lydens interferens Tonegenerator - Højtaler - Oscilloskop - Mikrofon - Målebånd Tilslut mikrofonen til oscilloskopet og højtaleren til tonegeneratoren. Placér højtaleren ca. 70 cm fra væggen. Indstil frekvensen til Hz og send lydbølger ind mod væggen. Anbring mikrofonen ca. 5 cm fra højtaleren og justér y-aksen på oscilloskopet efter målingen. Anbring nu mikrofonen som vist på tegningen. Flyt langsomt mikrofonen fra væggen mod højtaleren og hold hele tiden øje med lydbilledet på oscilloskopet. 25

29 Lydbølgers interferens B 2.8 Hvad sker der, når lydbølgen fra højtaleren rammer væggen? Når du finder minima og maksima for lydens intensitet, aflæser du afstanden til væggen og noterer resultatet i skemaet. Afstand ved minima m m m m m m Afstand ved maksima m m m m m m Hvilken sammenhæng er der mellem afstandene for minima af lydens intensitet? Hvilken sammenhæng er der mellem afstandene for maksima af lydens intensitet? Hvad viser forsøget om interferens? Er der maksimum eller minimum helt inde ved væggen? Ekstra Beregn den gennemsnitlige bølgelængde og bestem lydens fart ud fra bølgeformlen. 26

30 Ultralyd i hverdagen Undersøg, hvor der findes ultralyd i hverdagen Ultralydmodtager - LF-forstærker - Mobiltelefon - Nøgler - Tændstikker - Papir - Andre materialer Den specielle ultralydmodtager er indrettet, så den omsætter ultralyd til hørbar lyd. Men lyden er meget svag, så den skal forstærkes af LF-forstærkeren, inden vi kan høre lyden i en højtaler. Ultralydmodtageren filtrerer almindelig hørbar lyd fra, så kun ultralyden bliver hørbar. Undersøg, om der opstår ultralyd når: du knipser med fingrene. du stryger en tændstik. du krøller papir sammen. du rasler med et nøgleknippe. du fløjter i en hundefløjte. du ringer op på din mobiltelefon. din mobiltelefon ringer. Gå på jagt efter ultralyd i hverdagen og notér dine resultater i dit hæfte. Overvej fordele og ulemper ved, at mennesker ikke kan høre ultralyd. Skriv om dine overvejelser. 27

31 Bølgeformlen Brug bølgeformlen til at beregne frekvens eller bølgelængde af lydbølger i luft Regneeksempler Bølgeformlen: v = f. λ Bølgeformlen angiver sammenhængen mellem fart, frekvens og bølgelængde. Når to af disse størrelser er kendte, kan man altid beregne den tredje ud fra bølgeformlen. I luft er farten 340 m/s, og i vand er farten m/s. Frøers kvækken ligger i frekvensområdet fra 200 Hz til Hz. Den mindste bølgelængde er: Den største bølgelængde er: De højeste toner, unge mennesker kan høre, har en frekvens på Hz. Bølgelængden er: Menneskets tale ligger i frekvensområdet fra 200 Hz til Hz. Den mindste bølgelængde for vores tale er: Den største bølgelængde for vores tale er: Kammertone-A et har en frekvens på 440 Hz. Beregn bølgelængden for kammertonen. Bølgelængden: En ultralydsscanner arbejder med en frekvens på 3 mio. Hz. Bølgelængden i luft for ultralydsscanneren: Bølgelængden i vand for ultralydsscanneren: 28

32 Frekvens og hørelse Undersøg ørets følsomhed overfor forskellige frekvenser Tonegenerator - Højtaler I forsøget indstiller en af jer tonegeneratorens frekvens, mens de øvrige er testpersoner, som lytter til tonerne fra højtaleren uden at kende frekvensen. Læreren kan evt. være en af testpersonerne. Indstil frekvensen på ca Hz og skru langsomt ned for frekvensen. Testpersonerne lytter og markerer, når de kan høre den første tone. Resultatet noteres i skemaet nedenfor. Person Øvre høregrænse i Hz Nedre høregrænse i Hz Skru langsomt ned for frekvensen og notér den nedre høregrænse for hver testperson. Hvilken betydning har alderen for høregrænserne? Fasthold amplituden på tonegeneratoren. Så har tonerne omtrent samme styrke hele tiden. Forøg langsomt frekvensen fra 0 Hz til Hz. Inden for hvilket frekvensområde lyder tonerne mest kraftigt? 29

33 Decibelskalaen Undersøg, hvordan decibelskalaen er opbygget ved hjælp af støj fra summere summere - Strømforsyning - Ledninger - Krokodillenæb - Lydmåler - Ørepropper - Materialekasse Hvor mange decibel bringer en summer lydmåleren op på? Hvor mange decibel stiger lydtryksniveauet ved to summere? Undersøg hvor mange summere, du skal bruge for at øge lydtryksniveauet med 10 db. Gennemtænk forsøget nøje og overvej, hvordan du kan parallelforbinde summerne og samtidig undgå kortslutning. Du får måske brug for flere materialer end dem, der er nævnt i materialelisten. Beskriv dit forsøg og tegn forsøgsopstillingen. Hvad viser dit forsøg om opbygningen af decibelskalaen? 30

34 Decibel Undersøg, hvordan decibelskalaen er opbygget Cd-afspiller - Cd Lyd, støj og hørelse - Lydmåler Afspil nr. 8 Hørelse: Forskellige lydstyrker. Regulér i det første støjeksempel lydtryksniveauet til 55 db en meter fra cd-afspilleren. Hvornår blev støjen generende? Afspil nr. 9 Hørelse: Lydforskelle uden at ændre på volumen undervejs. Hvordan opfatter du en ændring af lydtryksniveauet på 1 db? Hvordan opfatter du en ændring på 3 db? Hvad sker der med sliddet på hørelsen, når lydtryksniveauet falder med 3 db? Hvordan opfatter du en ændring på 10 db? Hvad sker der med sliddet på hørelsen, når lydtryksniveauet falder med 10 db? 31

35 Tinnitus og andre høreskader Lyt til eksempler på tinnitus Cd-afspiller - Cd Lyd, støj og hørelse - Mikrofon - Computer - Pasco Interface - Fil lyd5.sws Spil nr. 7 Høreskader: Tinnituseksempler. Beskriv lyden i de fire tinnituseksempler og vurdér, hvordan det vil være at leve med lydene døgnet rundt. Brug dit hæfte. Lyt også til nr. 2 Høreskader: Kort introduktion til musikeksempler og udvælg derefter et af musikeksemplerne 3, 4 eller 5. Diskutér, hvordan det vil være at leve med en høreskade. Ekstra: Læs om frekvensanalyser på øvelsesark 4.4. Optag frekvensanalyser af hvert eksempel på tinnitus. Find dominerende frekvenser og undersøg, hvordan frekvensen varierer. Kommenter resultatet i dit hæfte. 32

36 Støjmålinger Mål støjen forskellige steder Lydmåler Hvor forventer du, at der er meget støj på skolen? Brug lydmåleren til at bestemme støjen forskellige steder og udfyld selv de tomme rækker i skemaet. Sted Gymnastiksal med elever Omklædningsrum med elever Skolegård i frikvarter Skolegård ikke i frikvarter Klasselokale Klasselokale Kontor Lydtryksniveau db(a) Hvis støjen på en arbejdsplads overstiger 80 db(a), skal arbejdsgiveren stille høreværn til rådighed. Støjgrænsen for en 8 timers arbejdsdag er 85 db(a). Hvad viser dine målinger om støjniveauet de forskellige steder? Planlæg og udfør et forsøg, hvor du undersøger lydtryksniveauet fra en discman eller en walkman. Hvad viser forsøget? Skriv evt. på bagsiden af papiret. 33

37 Akustik og støj Undersøg, hvordan rummets akustik påvirker støjen Lydmåler - Hammer - Metalplade - Cd-afspiller - Cd Lyd, støj og hørelse Ved at slå hammeren mod metalpladen skaber I støj. I skal undersøge, hvilken betydning rummets akustik har for støjen. Udvælg forskellige rum på skolen, hvor I forventer, at akustikken er meget forskellig. Udfyld skemaet. Rum Vægbeklædning Loftbeklædning Gulvbeklædning Lydtryksniveau I skal nu undersøge akustikken i de forskellige rum uden at genere andre med jeres forsøg. db(a) db(a) db(a) db(a) Slå hammeren mod jernpladen og vurdér støjen i hvert rum. Kommentér resultatet, vurdér bl.a. hvilken betydning væg-, loft- og gulvbeklædningen har for rummets akustik. Lyt til nr. 14 Akustik: Hammer. 34

38 Høreværn Undersøg virkningen af ørekopper og ørepropper Forskellige ørekopper - Forskellige ørepropper - Støjkilde - Cd-afspiller - Cd Lyd, støj og hørelse Find en passende støjkilde eller brug lyden fra betonbrækkeren i nr. 15 på cd en Høreværn: Betonbrækker. Vurdér virkningen af de forskellige ørekopper og ørepropper. Kommentér jeres undersøgelse. Hvornår skal arbejdsgiveren stille høreværn til rådighed for de ansatte? Spil hele nr. 15 Høreværn: Betonbrækker. På Berners høreværn nr får man bl.a. følgende oplysninger: Frekvens, Hz k 2k 4k 8k Formodet dæmpning, db 10,4 10,0 15,9 24,0 32,1 29,2 30,2 29,8 Forklar, hvad oplysningerne betyder? Find dæmpningstallene for de forskellige ørekopper og ørepropper. Vurdér hvordan tallene passer med dine forsøgsresultater. 35

39 Støjende legetøj Undersøg støjniveauet fra legetøj Lydmåler - Målebånd - Forskellige slags støjende legetøj Legetøj må ifølge loven støje op til 125 db. Det svarer til smertegrænsen, se også side 31 i elevbogen. Støjgrænserne er fastsat ud fra, at børnene altid holder legetøjet 50 cm fra øret. Det er især kraftige og kortvarige lyde, der giver høreskader: Børn er endnu mere følsomme overfor den slags lyde end voksne. Undersøg lydtryksniveauet fra forskellige slags legetøj og udfyld skemaet. Lydtryksniveau Legetøj i 2,5 cm afstand i 25 cm afstand i 50 cm afstand db(a) db(a) db(a) db(a) db(a) db(a) db(a) db(a) db(a) db(a) db(a) db(a) db(a) db(a) db(a) db(a) db(a) db(a) Hvad viser din undersøgelse om legestøjs støjniveau? Er der noget af legetøjet, du vil fraråde at købe pga. støjniveauet. Begrund dit svar. 36

40 Støjdæmpning A Undersøg, hvordan forskellige materialer kan dæmpe lyden lydmålere - Tonegenerator - Højtaler - Plader, 50 cm 50 cm, af forskellige materialer Indstil tonegeneratoren på Hz. Anbring lydmåleren ca. 50 cm fra højtaleren og tegn en vandret streg midt imellem. Placér én efter én de forskellige støjskærme på stregen mellem højtaleren og lydmåleren. Mål lydtryksniveauet og notér antal db(a) i skemaet. Beregn til slut dæmpningen. Frekvens: Hz Støjskærm Lydtryksniveau i db(a) Dæmpning i db(a) Intet materiale Gipsplade Krydsfiner Rockwool Rudeglas Dobbeltrude Hvilke materialer dæmper støjen bedst? Sammenlign med skemaet side 37 i elevbogen. Hvordan stemmer dine resultater med oplysningerne der? 37

41 Støjdæmpning B Undersøg, hvad tonehøjden betyder for dæmpning af støj Undersøg dæmpningen ved forskellige frekvenser. Forsøgsopstillingen er den samme som i det foregående forsøg. Støjskærm Lydtryksniveau i db(a) Dæmpning i db(a) 100 Hz 500 Hz Hz Hz 100 Hz 500 Hz Hz Hz Ingen Gipsplade Krydsfiner Rockwool Rudeglas Dobbeltrude Hvilke rolle spiller frekvensen for dæmpningen? Man kan betragte lyden som højfrekvent, når dens bølgelængde er lille i forhold til støjskærmens mål. Når bølgelængden er stor i forhold til støjskærmens dimensioner, betragtes lyden som lavfrekvent. Beregn bølgelængden for de fire frekvenser, du har undersøgt. En tone med en frekvens på 100 Hz har en bølgelængde på: En tone med en frekvens på 500 Hz har en bølgelængde på: En tone med en frekvens på Hz har en bølgelængde på: En tone med en frekvens på Hz har en bølgelængde på: Hvordan kunne du ændre på afskærmningen, så alle tonerne blev dæmpet meget? Lyt til nr. 11, 12 og 13 fra cd en Lyd, støj og hørelse. 38

42 Lydbilleder i Science Workshop Brug oscilloskopet i Science Workshop til at vise lydbilleder Mikrofon - Computer - Pasco interface Tænd for interfacet og computeren. Start programmet Science Workshop. Tilslut mikrofonen til den analoge indgang A og vælg Mikrofon fra menuen. Træk nu ikonen Skop op til indgang A på interfacet. Oscilloskopet kommer frem på skærmen. Maksimér vinduet. Justér aksernes inddeling nederst i oscilloskopets venstre hjørne. Indstil x-aksen til 0,50 ms/inddel og y-aksen til 1,000/inddel. Vælg Vis fra Eksperiment i menulinjen. Nu viser oscilloskopet lydbilleder. Lydens intensitet afbildes op ad y-aksen, jo større amplitude, jo større intensitet. Hen ad x-aksen afbildes tiden. Svingningstiden, T, kan derfor aflæses af lydbilledet, og frekvensen kan beregnes som 1 T. 39

43 Lydbilleder af rene toner, støj og brag A Undersøg lydbilledet af forskellige lydkilder Stemmegafler med forskellige frekvenser - Mikrofon - Oscilloskop - Papir - Lineal - Guitar Undersøg lydbilledet af de forskellige stemmegafler. Tegn ét af billederne på skærmen. Beskriv lydbilledet og vurdér, om stemmegaflerne udsender en ren tone. Hvordan påvirker stemmegaflernes frekvens kurven? Bestem svingningstiden, T, for stemmegaflerne ud fra lydbillederne på oscilloskopet og beregn frekvenserne. 40

44 Lydbilleder af rene toner, støj og brag B 4.3 Frembring støj med papiret. Tegn og beskriv lydbilledet. Frembring et brag. Tegn og beskriv lydbilledet. Anslå en guitarstreng. Tegn og beskriv lydbilledet. Hvad er forskellen på lydbillederne for en ren tone og for en guitarstreng? 41

45 Frekvensanalyse af stemmegafler Brug Science Workshop til at analysere lyden fra to stemmegafler Computer - Pasco interface - Mikrofon - Anslagshammer - Stemmegafler: Hz og Hz I FFT-vinduet kan vi undersøge, hvilke frekvenser en lyd indeholder. Tænd for interfacet og computeren. Start programmet Science Workshop. Tilslut mikrofonen til den analoge indgang A og vælg Mikrofon fra menuen. Træk nu ikonen FFT op til indgang A på interfacet, og FFT-vinduet dukker op på skærmen. Maksimér vinduet og vælg Vis fra Eksperiment i menulinjen. Nu viser FFT-vinduet en frekvensanalyse af lyden. Justér x-aksen ved hjælp af ikonerne, så den maksimale frekvens er Hz. Anslå de to stemmegafler og fastfrys billedet i FFT-vinduet ved at trykke på Eksperiment efterfulgt af Stop, eller hold Alt og punktum nede samtidig. Bestem frekvensen for den første top: Bestem frekvensen for den anden top: Hvad viser frekvensanalysen? 42

46 En svingende guitarstreng Brug Science Workshop til at analysere en lyd Computer - Pasco interface - Mikrofon - Guitar - Fil lyd6.sws Stemmegafler udsender rene toner, der kun indeholder én frekvens. I sang og musik klinger oftest flere frekvenser på samme tid. Ved hjælp af FFT-vinduet kan vi undersøge, hvilke frekvenser en lyd indeholder. Vi kalder det en frekvensanalyse. Klargør FFT-vinduet som beskrevet på øvelsesark 4.4. Nedenfor ser du er eksempel på frekvensanalyse af en svingende guitarstreng. Frekvensanalysen er også gemt under filnavnet lyd6.sws I FFT-vinduet kan vi se, at lyden fra guitaren indeholder en række forskellige frekvenser. Grundtonen har den laveste frekvens. Ved tryk på ikonen aflæser vi grundtonens frekvens til ca. 220 Hz. Den næste top er 1. overtone, som har frekvens på ca. 440 Hz. Det er ca. 2 gange grundtonens frekvens. Den næste top er 2. overtone, som har en frekvens på ca. 660 Hz, hvilket er omtrent 3 gange grundtonens frekvens. Foretag selv en frekvensanalyse af lyden fra en svingende guitarstreng. Kommentér resultatet i dit hæfte. 43

47 Strengeinstrumenter Undersøg frekvenserne for forskellige strenge Strenge med forskellige tykkelser - Strengeapparat Hvis du har lidt sans for musik, kan du lytte dig frem til frekvenserne. Ellers kan du bruge en frekvensmåler eller foretage en frekvensanalyse med Pasco. Anslå de forskellige strenge. Frembring den dybeste og højeste tone du kan. Hvilke variable/forhold har indflydelse på tonernes frekvens? Hvordan frembringer du dybe toner? Hvordan frembringer du høje toner? Ekstra: Stem et A på alle strengene. Beskriv din fremgangsmåde: 44

48 Tonerækken Undersøg tonerækken på en xylofon Xylofon - Anslagshammer - Frekvensmåler - Mikrofon Alle tonerne i den enstregede oktav skrives som X 1, hvor X er tones navn. Kammertonen skrives f.eks. som A 1. Tonerne, der ligger i den tostregede oktav, skrives som X 2. Se side 43 i elevbogen. Hvilken betydning har stavenes længde for tonernes frekvens? Bestem frekvensen for de forskellige stave. Prøv 2-3 gange og skriv gennemsnittet i skemaet. Stav nr. C D E F G A H C D E F G A Frekvens Hz Markér i skemaet, hvilke toner der tilhører den enstregede oktav. Skriv f.eks. A 1 ved kammertonen. Find kammertonen, A 1, og den tone, A 2, der ligger en oktav over. Hvilken sammenhæng er der mellem deres frekvenser? Find flere oktavforhold. 45

49 Stående lydbølger i et rør Frembring stående lydbølger i et rør Resonansrør - Stemmegafler 440, og Hz - Tonegenerator - Højtaler - Lydmåler Længden af resonansrøret kan ændres med stemplet. Som lydkilde kan du enten benytte forskellige stemmegafler eller en højtaler, der er tilsluttet en tonegenerator. På tonegeneratoren skal amplituden indstilles så lavt, at du kun lige kan høre tonen. Hvor meget kan du øge lydtryksniveauet ved at ændre på rørlængden og frekvensen? Største forøgelse af lydtryksniveauet blev db. Forklar, hvordan det høje lydtryksniveau fremkommer i resonansrøret. Led efter flere buge ved samme frekvens ved at ændre længden af resonansrøret. Undersøg, hvad der sker med afstanden mellem bugene, når frekvensen bliver større. Hvis du arbejder med et resonansrør med indbygget højtaler, skal du indstille frekvenserne til: 340 Hz, Hz og Hz. Det kan være vanskeligt at aflæse frekvensen præcist på tonegeneratoren, I kan derfor kontrollere frekvenserne med en frekvensmåler. Frekvens: Antal buge: Bug nr Afstand fra åbningen i cm Tegn tilsvarende skemaer, evt. på bagsiden af papiret, for de to øvrige frekvenser. Vurdér dine forsøgsresultater ud fra teorien om stående lydbølger side 44 i elevbogen. 46

50 Et vandorgel Byg et vandorgel og undersøg tonernes frekvens Reagensglasholder - 8 reagensglas - Frekvensmåler - Lineal 524 Hz 588 Hz 660 Hz 698 Hz Hz 988 Hz 880 Hz 784 Hz Byg et vandorgel, der kan spille alle tonerne i den tostrengede oktav og c et fra den trestrengede oktav. Afprøv med frekvensmåleren, om vandorglet er stemt korrekt. Beskriv din fremgangsmåde og udfyld skemaet. Frekvens 524 Hz 588 Hz 660 Hz 698 Hz 784 Hz 880 Hz 988 Hz Hz λ 4 cm cm cm cm cm cm cm cm Luftsøjle cm cm cm cm cm cm cm cm Prøv evt. at spille en lille melodi på orglet. Sammenlign vandorglet og panfløjten. 47

51 Toner på en sopranfløjte og en altfløjte Find tonen, A, på en sopranfløjte og en altfløjte Sopranfløjte - Altfløjte - Frekvensmåler Find tonen, A, på sopranfløjten og altfløjten. Indtegn fingerstillingen på fløjterne nedenfor. Sopran Alt Beskriv din fremgangsmåde. 48

52 Musikinstrumenter Undersøg lydbilleder og frekvensanalyser for forskellige musikinstrumenter Forskellige musikinstrumenter - Mikrofon - Pasco interface - Computer - Fil lyd7.sws I øvelsen er det nødvendigt, at én af jer kan stemme musikinstrumenterne og spille bestemte toner på de forskellige instrumenter. I kan læse mere om lydbilleder på øvelsesark 4.1 og frekvensanalyser på øvelsesark 4.4. Tegn og skriv om lydbilledet og frekvensanalysen af en tone fra det første musikinstrument her. Musikinstrument: Arbejd på samme måde med de øvrige musikinstrumenter. Skriv i dit hæfte eller på bagsiden af papiret. Sammenlign musikinstrumenternes lydbilleder og frekvensanalyser. Brug dit hæfte. 49

53 Hvem synger rent? Undersøg om du synger rent ved at foretage en frekvensanalyse af din sangstemme Mikrofon - Pasco interface - Computer - Fil lyd8.sws Gør FFT-vinduet klar som beskrevet på øvelsesark 4.4. Det kan være nødvendigt at justere x-aksen ved at trykke på ikonerne i FFT-vinduet. Det er sikkert passende med en maksimal frekvens på omkring Hz. Når du synger ind i mikrofonen, dukker der flere lodrette streger op i FFT-vinduet. Den første lodrette streg viser grundtonen. De øvrige streger i vinduet viser de forskellige overtoner. Synger du rent, er grundtonen og overtonerne vist som skarpe symmetriske linjer. Samtidig er alle overtonernes frekvens et helt tal gange grundtonens frekvens. Nyn ind i mikrofonen. Hold øje med FFT-vinduet. Når du har et pænt billede med skarpe linjer, fastfryser du billedet ved at trykke på Eksperiment efterfulgt af Stop. Aflæs grundtonens og overtonernes frekvens: Grundtonens frekvens G: 1. overtones frekvens G 1 : 2. overtones frekvens G 2 : Undersøg forholdet mellem grundtonens og overtonernes frekvens. Synger du rent? Begrund dit svar. Ekstra: Prøv at synge forskellige vokaler på samme tone og sammenlign deres frekvensspektre. 50

54 En fysiker fatter pennen Skriv en artikel om høreskader, ultralyds anvendelse eller musikinstrumenter. 5.1 Du skal skrive en avisartikel, der er relateret til det delemne, du lige har arbejdet med. Målgruppen for artiklen er dine klassekammerater. Du skal skrive artiklen med en fysikers baggrund og bruge den viden, du har fået i forbindelse med delemnet. Formulér dig klart og tydeligt. Med lyden ind i støjen Skriv en avisartikel om høreskader. Du skal gøre rede for, hvordan det indre øre kan blive skadet. Du kan også skrive om årsager og forebyggelse af høreskader. Stikord som er relevante i forhold til indholdet i din artikel: Lydtryksniveau, decibelskala, tinnitus, sansehår, støjgrænser og høreværn. Men lyden på rejse Skriv en avisartikel om ultralyds anvendelse. Du skal gøre rede for ultralyds frekvensområde og udbredelse i forskellige stoffer. Du kan også skrive om ligheder i menneskers og dyrs anvendelse af ultralyd Stikord som er relevante i forhold til indholdet i din artikel: Frekvensområde, transducer, refleksion, lydens fart og ekkolokalisering Med lyden ind i musikken Skriv en avisartikel om musikinstrumenter. Du skal gøre rede specielle egenskaber ved henholdsvis strenge- og blæseinstrumenter. Du kan også skrive om et bestemt musikinstrument, f.eks. en Stradivarius eller en bestemt musikers instrument. Stikord som er relevante i forhold til indholdet i din artikel: Tonerække, grundtoner, overtoner, klangbund og klangfarve. 51