BASIS
TEMPERATUUR
EXPERIMENTEREN
LICHT
antwoorden
antwoorden
antwoorden
antwoorden
BEWEGING
MENGEN EN SCHEIDEN
ELEKTRICITEIT
GELUID
antwoorden
antwoorden
antwoorden
antwoorden
KRACHT
...
...
...
antwoorden
antwoorden
antwoorden
antwoorden

Hoofdstuk 8
Geluid

§1 Geluid
§2 Trillingen
§3 Golven



§1     Geluid

In dit hoofdstuk gaan we trillingen en golven bestuderen. Hiermee kunnen we o.a. geluid begrijpen. In deze paragraaf bestuderen we het verschil tussen trillingen en golven.

Een trilling is het simpel heen en weer bewegen van een voorwerp. Een voorbeeld hiervan is het zogenaamde massa-veersysteem. Dit systeem bestaat uit een blokje dat met behulp van een veer heen en weer beweegt over een wrijvingsloos horizontaal oppervlak (zie de onderstaande afbeelding)(zie de onderstaande animatie).

AFBEELDING!!!

Zoals je kunt zien, beweegt het blokje heen en weer om het punt u = 0 m. We noemen deze positie de evenwichtsstand. Als het blokje hier bevindt, dan bevindt de veer zich in zijn neutrale positie. Rechts van dit punt is de veer uitgerekt. Links van dit punt is de veer ingedrukt. De afstand van het midden van het blokje tot deze evenwichtstand noemen we de uitwijking (u). De maximale uitwijking van het blokje tijdens de trilling noemen we de amplitude (A).

Hieronder is een animatie van een golf in een touw te zien. Hieronder zien we een afbeelding van een golf. Op de website, kan je een animatie zien van het ontstaan van deze golf. Door het touw aan de linkerkant op en neer te bewegen, komt het hele touw in beweging. Elk stukje van het touw brengt het volgende stukje in beweging. We noemen de resulterende beweging een golf. Omdat de golf zich naar rechts verplaatst door het touw spreken we van een lopende golf.

AFBEELDING!!!

Hoewel de golf zelf naar rechts beweegt, doen de deeltjes waaruit het touw bestaat dit niet. In de animatie kan je goed zien dat de deeltjes alleen op en neer bewegen.

Net als in een touw, kunnen ook in de lucht golven ontstaan (zie de onderstaande animatie). Dit worden geluidsgolven genoemd. Deze golven ontstaan als we een geluidsbron in de lucht in trilling brengen. In de onderstaande animatie is de geluidsbron een luidspreker. Andere voorbeelden zijn het trillen van een gitaarsnaar of het trillen van stembanden. Als de conus van de luidspreker heen en weer beweegt, dan botst het tegen de omliggende luchtdeeltjes en deze luchtdeeltjes botsen weer tegen de volgende deeltjes etc. De beweging van de luchtdeeltjes zorgt ervoor dat er gebieden ontstaan met een hoge dichtheid (veel deeltjes) en met een lage dichtheid (weinig deeltjes). Hoe hoger deze dichtheid, hoe groter de luchtdruk. Deze gebieden van hoge en lage dichtheid vormen een golf die naar rechts beweegt.

AFBEELDING

Als je de deeltjes in de animatie volgt, dan zie je dat alle deeltjes naar links en naar rechts bewegen om een evenwichtsstand. Elk deeltje voert dus een trilling uit. De beweging van al deze deeltjes samen zorgt voor een lopende golf die naar rechts beweegt.

In de onderstaande afbeelding zien we een doorsnede van een simpele speaker of luidspreker. Aan de conus van de speaker is een spoel verbonden waarover een spanning staat. Door verschillende patronen van stroompjes door de spoel te sturen, ontstaat om de spoel een wisselend magneetveld. Een permanente magneet in de speaker reageert op dit magneetveld door de conus aan te trekken en af te stoten. Als gevolg gaat de conus trillen. We gaan hier meer over leren in het hoofdstuk "Elektriciteit II".

De conus brengt op zijn beurt de lucht in trilling. De stof waarin de geluidsgolven zich verplaatsen noemen we het medium of tussenstof. Geluidsgolven komen niet alleen in lucht voor. In elk materiaal kunnen geluidsgolven ontstaan. In metalen, bijvoorbeeld, kunnen geluidsgolven zelfs nog sneller voortplanten dan in de lucht.

         Demonstratievideo
Als een ruimte geen medium bevat, dan spreken we van een vacuüm. In een vacuümruimte kan geluid niet voortplanten. Dit wordt in het rechter filmpje gedemonsteerd.

↓ VMBO VERSIES van deze VIDEOS komen binnenkort online!

↓ VMBO VERSIES van deze VIDEOS komen binnenkort online!

DEMO-VIDEO:
Geluid in vacuüm

We nemen geluid pas waar als geluidsgolven aankomen bij een ontvanger. Een voorbeeld is het trommelvlies in ons oor. Dit kan in trilling worden gebracht door deze golf en zo nemen we geluid waar. Een ander voorbeeld van een ontvanger is een microfoon. De werking van een microfoon lijkt op de werking van de speaker. In dat geval zorgt geluid in de lucht er juist voor dat de conus (en dus ook de spoel) een beetje gaat trillen. Als een spoel trilt in de buurt van een magneet, dan ontstaat een patroon van stroompjes. Dit patroon kan daarna versterkt worden en via een luidspreker weer hoorbaar gemaakt worden.

         Leerdoelen:
  • Zorg dat je een trilling kan beschrijven met behulp van de uitwijking, de amplitude en de trillingstijd
  • Zorg dat je het verschil tussen een trilling en een golf kan beschrijven
  • Zorg dat je begrijpt dat geluid een geluidsbron, een tussenstof en een ontvanger nodig heeft.
  • Zorg dat je weet dat zowel een luidspreker als een microfoon werkt met behulp van een conus, een magneet en een spoel. Bij een luidspreker brengt de lucht de spoel in beweging, waardoor stroompjes ontstaan. Bij een microfoon zorgen stroompjes juist voor de beweging van de spoel.
  • Zorg dat je weet dat geluid een tussenstof of medium nodig heeft om in te verplaatsen en dat in een vacuüm dus geen geluid mogelijk is

         Opdrachten
  1. (1p) Noem minstens drie geluidsbronnen.
  2. (2p) Waarom heeft geluid een medium of tussenstof nodig?
  3. (2p) Leg uit wat het verschil is tussen een trilling en een golf.
  4. (2p) Geluid wordt veroorzaakt door trillende voorwerpen. Wat trilt er als we spreken? En wat trilt er als we een mug horen zoemen?
  5. (1p) De luidspreker bestaat uit drie onderdelen. Noem deze drie onderdelen.
  6. (1p) Een bel wordt aangezet in een ruimte die langzaam vacuüm wordt gepompt. Leg uit wat er met het geluid gebeurt?

 

§2     Trillingen

In deze paragraaf gaan we een aantal eigenschappen van de trilling bestuderen, waaronder de trillingstijd en de frequentie.

In de vorige paragraaf hebben we gelezen dat geluid wordt veroorzaakt door het trillen van luchtdeeltjes. We kunnen deze trillingen zichtbaar maken met een oscilloscoop. In de onderstaande afbeelding zien we rechts een oscilloscoop. Hierop is een microfoon aangesloten. Zoals we in de vorige paragraaf geleerd hebben zet een microfoon geluid om in elektrische stroompjes. Deze stroompjes worden zichtbaar gemaakt op het scherm van de oscilloscoop. Links zien we een zogenaamde stemvork. Dit is een simpel metalen instrument dat met een hamertje aangeslagen kan worden. De stemvork produceert dan de "nette" toon die op het scherm zichtbaar is.

Het oscilloscoopbeeld kan worden opgevat als een diagram met op de horizontale as de tijd (t) en op de verticale as de uitwijking (u). We spreken hier daarom ook wel van een (u,t)-diagram.

De bovenstaande trilling herhaalt zich in de tijd. We noemen een dergelijke beweging een periodieke beweging. De trillingstijd geeft aan hoe lang het duurt voordat de beweging zich herhaalt. We noemen de trillingstijd ook wel de periode. In de bovenstaande afbeelding zien we twee manieren om de trillingstijd te meten.

De grootte van elk hokje op de horizontale as van het oscilloscoopbeeld wordt gemeten in ms/div. "div" staat hier voor "division", hetgeen we in het Nederlands "hokje" zouden noemen. Een waarde van 10 ms/div betekent bijvoorbeeld dat elk hokje op de horizontale as overeenkomt met 10 milliseconden.

Met de trillingstijd kunnen we o.a. de frequentie bepalen. We meten de frequentie in hertz (Hz) en dit komt overeen met het aantal trillingen per seconde. Er geldt:

$$ \text{frequentie} = \frac{1}{\text{trillingstijd}} $$ $$ \text{trillingstijd} = \frac{1}{\text{frequentie}} $$
Trillingstijd seconde (s)
Frequentie hertz (Hz)

 

Let erop dat je de trillingstijd in deze formule altijd in seconden invult. De trillingstijd wordt ook vaak gegeven in milliseconden (ms). Er geldt:

$$ 1 \text{ s} = 1000 \text{ ms} $$

Aan de formule kan je zien dat een grotere frequentie altijd zorgt voor een kleinere trillingstijd en andersom.

Een simpel muziekinstrument waarmee we tonen kunnen produceren met verschillende frequenties is een snaar. Dit is een dunne draad die onder spanning staat. De frequentie van een snaar kan verhoogd worden door de snaar strakker aan te spannen, door de snaar korter te maken of door een dunnere snaar te kiezen. Het geluid van de snaar is op zichzelf niet goed hoorbaar, maar kan versterkt worden met een klankkast. Dit is een holle ruimte waarin lucht kan gaan meetrillen met de snaren (zie de onderstaande afbeelding).

Laten we eens het oscilloscoopbeeld van een aantal tonen vergelijken. Hieronder zien we aan de linkerzijde een oscilloscoopbeeld van een zachte en een harde toon. Zoals je kunt zien heeft een zachte toon een kleine amplitude en heeft de harde toon een grote amplitude. De "hardheid" van het geluid noemen we in de natuurkunde de geluidsterkte. Aan de rechterkant zien we een oscilloscoopbeeld van een lage en een hoge toon. Zoals je kunt zien heeft een lage toon een lage frequentie (en een grote trillingstijd) en heeft een hoge toon een hoge frequentie (en een lage trillingstijd). De frequentie van een toon bepaald dus de toonhoogte van het geluid.

↓ VMBO VERSIES van deze VIDEOS komen binnenkort online!

↓ VMBO VERSIES van deze VIDEOS komen binnenkort online!

INSTRUCTIE:
Trillingen

         Leerdoelen:
  • Zorg dat je kan rekenen met frequentie = 1 / trillingstijd en trillingstijd = 1 / frequentie en zorg dat je weet dat een grotere trillingstijd zorgt voor een kleinere frequentie en andersom
  • Zorg dat je weet dat de frequentie van een snaar groter wordt bij een grotere spankracht, een dunnere snaar en een kortere snaar
  • Zorg dat je weet dat een hardere toon (een grotere geluidsterkte) op een oscilloscoop een grotere amplitude heeft en dat een hogere toon een grotere frequentie (en dus een kleinere trillingstijd) heeft

         Opdrachten
  1. (1p) Welke sensor wordt aangesloten op de oscilloscoop om geluid zichtbaar te maken.
  2. (3p) Een luidspreker produceert een toon van 2035 Hz. Bereken de trillingstijd van deze toon in milliseconden.
  3. (3p) Een stemvork trilt 1000 keer in 5,0 seconden. Bereken de frequentie en de trillingstijd van deze trilling.
  4. (3p) Een boom waait 5x heen en weer in 10 seconden. Bereken de trillingstijd en de frequentie.
  5. (2p) Een kolibrie beweegt tijdens het vliegen zijn vleugels erg snel op en neer. Hierdoor is een zoemend geluid te horen met een frequentie van 55 Hz. Bereken hoelang één trilling van de vleugels duurt.
  6. (1p) Een saxofonist speelt twee tonen. De tweede toon heeft een grotere frequentie. Leg uit of de trillingstijd van de tweede toon groter of kleiner is.
  7. (2p) Een geluid heeft een trillingstijd van 60 ms. Bereken de frequentie van dit geluid.
  8. (2p) Gezoem van een mug heeft een hogere toonhoogte dan het gezoem van bijvoorbeeld een hommel. Welk insect beweegt zijn vleugels vaker op en neer?
  9. (2p) Een leerling slaat een stemvork aan. Na een paar seconden is de amplitude van het geluid even groot / groter / kleiner. Na een paar seconden is de frequentie van het geluid even groot / groter / kleiner.
  10. Een pianotoets wordt eerst hard en dan zacht aangeslagen.
    1. (1p) Leg uit of de frequentie verschilt.
    2. (1p) Leg uit of de trillingstijd verschilt.
    3. (1p) Leg uit of de amplitude verschilt.
  11. (4p) Een saxofonist speelt twee tonen. De eerste toon is laag en heel hard. De tweede toon is juist hoog en zacht. Teken hoe de twee tonen eruit zien op de oscilloscoop.
  12. Een stemvork wordt aangeslagen. Na een tijdje wordt de toon steeds zachter hoorbaar.
    1. (1p) Leg uit of de frequentie verandert tijdens het zachter worden van het geluid.
    2. (1p) Leg uit of de amplitude verandert tijdens het zachter worden van het geluid.
  13. Een leerling bespeelt een zogenaamde duimpiano die geluid maakt als de metalen strips worden aangeslagen.
    1. (2p) De duimpiano heeft een klankkast die het geluid versterkt. De frequentie blijft hierdoor gelijk / wordt hierdoor groter / wordt hierdoor kleiner. De amplitude blijft hierdoor gelijk / wordt hierdoor groter / wordt hierdoor kleiner.
    2. (2p) De duimpiano heeft strips met verschillende lengtes. Dit is te vergelijken met de verschillende lengtes van de snaren van bepaalde snaarinstrumenten. De leerling slaat een lange en een korte strip aan. De lange strip geeft een hogere / lagere toon dan de korte strip. De lange strip heeft een grotere / kleinere trillingstijd dan de korte strip.
    3. (1p) Op een oscilloscoop maakt de leerling één toon van de duimpiano zichtbaar. Je ziet hieronder een afbeelding van het scherm van de oscilloscoop vlak na het aanslaan van een strip.

      Na enkele seconden is de geluidsterkte van de toon kleiner. De instellingen van de oscilloscoop blijven gelijk. Welk oscilloscoopbeeld is juist in deze situatie.


      (Bron: Examen VMBO-T, 2023-1)
  14. (2p) Een leerling maakt met een stemvork een toon.

    De leerling maakt vervolgens een lagere, even harde toon. Welk van de onderstaande oscilloscoopbeelden geeft deze toon juist weer? De instellingen van de oscilloscoop blijven gelijk.


    (Bron: Examen VMBO-T, 2023-2)
  15. (2p) Hulpdiensten hebben een sirene die twee tonen maakt. Het onderstaande oscilloscoopbeeld laat een toon zien van de sirene van een ambulance.

    De sirene maakt ook nog een tweede toon. Deze toon klinkt lager en even luid. In dit geval is de amplitude kleiner / groter en er zijn meer / minder trillingen zichtbaar.
    (Bron: Examen VMBO-T, 2021-1)

 

§3     De geluidsnelheid

In deze paragraaf gaan we rekenen met de golfsnelheid.

Voor de snelheid van een golf gebruiken we de formule voor de snelheid uit het hoofdstuk "Beweging":

$$ \text{snelheid} = \frac{\text{afstand}}{\text{tijd}} $$
Snelheid meter per seconde (m/s)
Verplaatsing meter (m)
Tijdsduur seconde (s)

 

De formule is ook in twee andere vormen te schrijven:

$$ \text{tijd} = \frac{\text{afstand}}{\text{snelheid}} $$ $$ \text{afstand} = \text{snelheid} \times \text{tijd} $$

In BINAS kan je voor een aantal stoffen de geluidsnelheid opzoeken. De meeste geluidsnelheden zijn hier gegeven bij een temperatuur van 293 K. Dit komt overeen met 293 - 273 = 20 graden Celsius. Voor ijs is de geluidsnelheid bij 269 K gegeven (-4 graden Celsius) en voor lucht is ook de snelheid bij 288 K (15 graden Celsius) gegeven.

         Voorbeeld

 

Vraag:

Je ziet tijdens een hevige storm een bliksemflits. 8 seconden later hoor je de bijbehorende knal. Bereken hoe ver de bliksem van je vandaan was. De temperatuur van de lucht is 20 oC.

Antwoord:

Eerst noteren we de gegevens:

tijd = 8 s

Volgens BINAS geldt voor lucht van 20 graden Celsius (293 K):

snelheid = 343 m/s

Nu kiezen we de juiste formule en vullen deze in:

$$\text{afstand} = \text{snelheid} \times \text{tijd} $$ $$ \text{afstand} = 343 \times 8 = 2744 \text{ m} $$

De bliksem vond dus op een afstand van 2744 meter plaats.

 

In het volgende voorbeeld gaan we redeneren met het begrip echo. Zoals je waarschijnlijk wel weet is een echo een reflectie van geluid tegen een oppervlak.

         Voorbeeld

 

Vraag:

Met behulp van echo kan men bepalen hoe diep de zeebodem is. Men stuurt aan de onderkant van een schip een geluidspuls naar beneden en meet hoelang het duurt voordat de puls tegen de bodem reflecteert en terugkomt bij het schip. De echo doet er 0,59 s over om terug te komen bij het schip. Bereken hoe diep de zeebodem is.

Antwoord:

Het geluid beweegt eerst naar de zeebodem en daarna weer terug. Dit duurt 0,59 s. We willen weten hoelang het geluid erover doet om alleen de weg naar beneden af te leggen. Hiervoor delen we door twee:

tijd = 0,59 / 2 = 0,295 s

Volgens BINAS geldt voor zeewater:

snelheid = 1510 m/s (BINAS)

Nu kiezen we de juiste formule en vullen deze in:

$$\text{afstand} = \text{snelheid} \times \text{tijd} $$ $$ \text{afstand} = 1510 \times 0,295 = 445 \text{ m} $$

De zeebodem is dus 445 meter diep.

 

↓ VMBO VERSIES van deze VIDEOS komen binnenkort online!

↓ VMBO VERSIES van deze VIDEOS komen binnenkort online!

INSTRUCTIE:
Golven

         Leerdoelen:
  • Zorg dat je kan rekenen met de formule snelheid = afstand / tijd in z'n drie vormen en dat je de geluidsnelheid in verschillende stoffen in BINAS kan opzoeken aan de hand van de temperatuur in kelvin
  • Zorg dat je de temperatuur van kelvin kan omrekenen naar graden Celsius en andersom
  • Zorg dat je kan rekenen aan de echo. Houdt er rekening mee dat geluid bij een echo twee keer dezelfde afstand aflegt

         Opdrachten
  1. (2p) Zoek de geluidsnelheid op in BINAS bij een temperatuur van 20 graden Celsius.
  2. (3p) Je ziet tijdens een hevige storm een bliksemflits. 8 seconden later hoor je de bijbehorende knal. Bereken hoe ver de bliksem van je vandaan was. De temperatuur van de lucht is 20 oC.
  3. (3p) Ook door gesteenten kunnen golven voortbewegen. De snelheid van deze golven is 5000 m/s. Het zijn deze golven die voor aardbevingen zorgen. Stel dat het epicentrum van een aardbeving 450 km van je vandaan ligt. Bereken hoelang het duurt voordat de aardbeving je bereikt.
  4. (3p) Vroeger kwam het wel eens voor dat iemand zijn oor op de stalen trainrails legde om een trein van verre te horen aankomen (tegenwoordig is dit geen goed idee, omdat over veel rails een grote spanning staat). Bereken hoelang het duurt voordat het geluid van een trein op 5 km afstand hoorbaar is via de rails. Gebruik hierbij dat staal met name uit ijzer bestaat.
  5. (2p) Een leerling staat op een afstand van 250 m van een ambulance. De temperatuur is 288 K (15 oC). Bereken hoelang het duurt voordat het geluid van de sirene de leerling bereikt.
  6. (2p) De snelheid van geluid in zeewater is groter / kleiner dan in de lucht. Het geluid legt in zeewater dezelfde afstand af in een langere / kortere tijd dan in lucht.
  7. (4p) Met behulp van echo kan men bepalen hoe diep de zeebodem is. Men stuurt aan de onderkant van een schip een geluidspuls naar beneden en meet hoelang het duurt voordat de puls tegen de bodem reflecteert en terugkomt bij het schip. Stel dat de echo er 0,59 s over doet. Hoe diep is in dat geval de zeebodem.
  8. Met een app op je telefoon kan je de afstand tot voorwerpen bepalen. De smartphone zendt geluid uit. Even later ontvangt de smartphone het weerkaatste geluid. Met het tijdsverschil tussen zenden en ontvangen berekent de smartphone de afstand tot een voorwerp. De app is geijkt voor een geluidssnelheid van 340 m/s en geeft aan dat het voorwerp 1,36 meter ver weg is.
    1. (3p) Bereken de tijd die het geluid onderweg is.
    2. (1p) Noteer de temperatuur waarbij de geluidssnelheid van de app geijkt is, in Kelvin en in graden Celsius.

    3. (Bron: Examen VMBO-T, 2018-1)

BINAS:
15 Geluidsnelheden