ШКОЛА

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ПРОЕКТ ПО ТЕМЕ:

«ЗВУКОВОЕ КОЛЕБАНИЕ
И РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЗВУКА»

Автор работы:

Руководитель проекта:

ГОРОД

2021

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ        3

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ        5

1.1. ЗВУК        5

    1.1.1. ИСТОРИЯ ЗВУКА        7

1.2. ЗВУКОВЫЕ КОЛЕБАНИЯ        9

 1.2.1. ЯВЛЕНИЯ ЗВУКОВЫХ ВОЛН        9

 1.2.2. ФОРМЫ ЗВУКОВЫХ ВОЛН        11

1.3. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЗВУКА        12

 1.3.1. КАК МЫ СЛЫШИМ        13

   1.4. ВЛИЯНИЕ ЗВУКА НА ЧЕЛОВЕКА        15

2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ        16

   2.1. ОПЫТ        16

ЗАКЛЮЧЕНИЕ        17

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ        18

ПРИЛОЖЕНИЯ        19

ВВЕДЕНИЕ

         Наслаждаясь окружающим миром, наслаждаясь звуками природы и восхищаясь ими, я хочу исследовать этот мир со всех сторон, я хочу узнать, как можно больше о звуке.
        Звук кажется нам прежде всего непонятным и завораживающим. Мы живем в мире звуков. Мы живем в мире, где большая часть информации проходит через глаза и слух человека. Согласно исследованиям физиологов, на первом месте стоит визуальная информация, но также очень важна слуховая информация.
        Звук - неотъемлемая часть нашей жизни. С помощью звуков мы общаемся, получаем информацию, учимся. Звук используется во многих сферах деятельности: в сфере безопасности, в работе спасательных служб, в повседневной жизни.
        Мы захотели познакомиться со звуком поближе, прикоснуться к этой великой тайне природы. Возникло непреодолимое желание узнать о нем как можно больше.
        С давних времен известно влияние звуков на человеческий организм, на его самочувствие и настроение. Звуки творят чудеса, исцеляют, поднимают настроение, возбуждают, радуют, опечаливают. Разные звуки по-разному влияют на окружающий мир, на людей.
        Поэтому мы решили больше узнать об этих аспектах звука и раскрыть эту важную тему.
        Актуальность этой темы неоспорима, ведь звуки - часть нашей жизни. Мы применяем звук не задумываясь. После того, как выбрали тему, мы определились с целью и задачами работы. Человек научился применять звук в различных сферах своей деятельности. В этой связи можно сказать, что изучение природы звука - очень важный и многообещающий процесс.
        Цель моего проекта – Изучить звук и понять, как он распространяется.
        Задачи работы:
        - Изучить понятия «Звук», «Звуковые колебания»;
        - Провести анализ литературы и исследований на тему звуковых колебаний и распространения звука;
        - Понять, как звуки влияют на человека; 
        - Разработать памятку «Интересные факты о звуке»;
        - Сделать выводы по теме.
        Предмет исследования: Звуковые волны.
        Объект исследования: Звуковые колебания и распространение звука.
        Гипотеза: Звуковые колебания могут перемещать небольшие предметы.
        Проектный продукт: Памятка «Интересные факты о звуке».
         Методы исследования:
        - Анализ;
        - Синтез;
        - Анкетирование;
        - Эксперимент;
        - Библиографический.
        Практическая значимость: Полученные результаты исследования могут быть использованы для информирования учителей, родителей и учащихся о звуковых колебаниях и распространении звука, для использования материала на уроках физики, а также для проведения внеурочных занятий.
        Структурно работа состоит из введения, заключения, 2 глав (теоретической и практической) и списка использованных источников.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1. ЗВУК        

         Что такое звук? Звук - это механические колебания, которые распространяются в упругих средах: газах, жидкостях и твердых телах, воспринимаемых органами слуха.
        С точки зрения физики, звук - это механические упругие волны, которые распространяются в жидкостях, газах и твердых телах и образуются в результате колебаний и изменений в атмосфере, а также в объектах вокруг нас.
        Даже во время разговора вы слышите своего собеседника, потому что он влияет на воздух вокруг вас.
        Кроме того, когда вы играете на музыкальном инструменте, будь то барабан или струна, вы генерируете колебания определенной частоты, которые создают звуковые волны в окружающем воздухе.
        В зависимости от частоты звуковых колебаний, громкости, ритма и гармонии звук может влиять на организм человека как положительно, так и отрицательно. Правильно подобранные звуковые колебания могут активировать бронь человека. Через звук можно координировать частоту сердечных сокращений, пульс, дыхание и пищеварение. Колебания звуковой волны указываются в герцах.
        Под 1 Гц понимается выполнение процесса биений за одну секунду, то есть одну вибрацию в секунду. В спокойном состоянии человеческое сердце бьется почти так же часто.
        Причина звука - это вибрация тел, хотя часто она не видна нашим глазам. Источниками звука являются физические тела, которые вибрируют с частотой от 16 до 20 000 раз в секунду. Вибрирующее тело может быть твердым, газообразным и жидким.
        Рассмотрим примеры, объясняющие физическую природу звука.
        Струна музыкального инструмента передает свои колебания окружающим частицам воздуха.
        Эти колебания будут распространяться все дальше и дальше, и когда они достигнут уха, они заставят барабанную перепонку вибрировать. Мы услышим звук.
        То, что мы называем звуком, - это резкое изменение, молекулы воздуха не движутся, а колеблются, попеременно перемещаясь вперед и назад на очень короткие расстояния.
        Но одиночных колебаний одного тела не бывает. В любой среде в результате взаимодействия между частицами колебания передаются все большему количеству частиц, то есть звуковые волны распространяются через среду.
        Колебания могут быть периодическими, когда изменения повторяются через равные промежутки времени, и непериодическими, когда нет полного повторения процесса изменения. Среди периодических колебаний очень важную роль играют гармонические колебания.
        В зависимости от процесса различают механические колебания, электрический ток и напряжение звуковой вибрации.
        Наиболее заметные волны находятся на поверхности воды. Если бросить в воду камень, сначала появится впадина, затем подъем в воде, а затем появятся волны, которые впоследствии чередуются с гребнями и впадинами.
        Поднимаясь по фронту, они распространяются во всех направлениях, но отдельные частицы не движутся вместе с волнами, а только плавают в небольших пределах вокруг определенного фиксированного положения.
        Волны бывают продольные и поперечные; в первом случае колебания частиц среды происходят по направлению распространения волны, во втором - через нее. Человеческое ухо способно воспринимать колебания с частотой от 200 до 20 000 колебаний в секунду.

1.1.1. ИСТОРИЯ ЗВУКА

         В древности звук казался людям удивительным и загадочным продуктом сверхъестественных сил. Они считали, что звуки могут приручить диких животных, сдвинуть камни и горы, преградить путь воде, вызвать дождь и творить другие чудеса.
        Жрецы Древнего Египта, заметив удивительное воздействие музыки на человека, использовали ее в своих целях. Ни одно застолье не обходилось без ритуальных песнопений. Позже музыка пришла в христианские церкви.
        Люди с незапамятных времен стремились понять и изучить звук.
        Греческий ученый и философ Пифагор, живший 2500 лет назад, ставил различные эксперименты со звуками. Он первым доказал, что низкие звуки музыкальных инструментов присущи длинным струнам. Когда струна разрезается пополам, ее звук увеличивается на целую октаву.
        Открытие Пифагора положило начало акустической науке.
        Первые звуковые устройства были созданы в театрах Древней Греции и Рима: актеры вставляли в маски рожки для усиления звука. Известно также использование звуковых устройств в египетских храмах, где располагались «шепчущие» статуи богов.
        Существуют так называемые звуки вихря: свист ветра в проводах, такелажах кораблей, ветвях деревьев, вой в трубах, на гребнях скал, в расщелинах и узких оврагах. Люди использовали их давно - на охоте, в быту.
        В древнем Китае был обычай выпускать голубей с прикрепленными к их хвостам небольшими бамбуковыми палками. Воздух, проходящий через трубку, издавал легкий шипящий звук. Подобные звуки издает тростниковая свирель, которая была прототипом флейты, возникшей в Древнем Египте.
        Позже она стала известна как Пан-флейта - в честь древнегреческого бога лесов.

         Существует легенда, что в Иерусалиме когда-то была двурогая труба "сто звуков". Во время жертвоприношения зажигался костер, горячий воздух из которого хлынул в трубу, заставив его выть. Также были слышны громкие вопли, когда в нее врывались вихри пламени от костров во время осады города.
        Также, в Лондоне собор Святого Павла имеет большой круглый зал диаметром почти 50 метров. Человек с одной стороны может говорить шепотом, а с другой его прекрасно слышат.
        Ученые после тщательных исследований предоставили научное объяснение этому явлению. Получается, что при радиусе кривизны стены, равном 25 метрам, звук распространяется по ней, как бы ползком, и почти без потерь доходит до слушателя. В этом случае звук вбок не отражается.
        В 17 веке строители использовали звуковые трубки в виде бетонных труб вместо ваз. В частности, похожие звуковые линии можно найти в сооружениях, построенных по проекту Растрелли. Так что собор Смольного монастыря весь на дудках. Предполагается, что они тоже есть в залах Зимнего дворца.
        По всей видимости, такие гениальные акустические устройства были известны еще в древности. Легенда наделила тирана Дионисия умением слышать даже легкий шепот в своем дворце. В это нетрудно поверить, если предположить, что в здании были звукосниматели и керамические усилители.

1.2. ЗВУКОВЫЕ КОЛЕБАНИЯ

         Звуковая волна (звуковые колебания) - это механические колебания молекул вещества (например, воздуха), передаваемые через пространство.
        Из-за любого возмущения (например, вибрации диффузора динамика или гитарной струны), вызывающего движение и вибрацию воздуха в определенной точке пространства, возникает избыточное давление (поскольку воздух сжимается во время движения), выталкивая окружающие слои воздуха.
        Эти слои также сжимаются, что, в свою очередь, снова создает избыточное давление, влияющее на соседние слои воздуха.
        Таким образом, по цепочке происходит передача начального возмущения в пространстве из одной точки в другую. Тело, которое создает возмущение (колебания воздуха), называется источником звука.
        Если мы говорим о звуковых колебаниях, то необходимо упомянуть такую ​​характеристику, как скорость их распространения. Это зависит от среды, в которой распространяются эти колебания.
        На него влияют такие факторы, как эластичность среды, ее плотность и температура. Так, например, чем выше температура среды, тем выше скорость звука.

1.2.1. ЯВЛЕНИЯ ЗВУКОВЫХ ВОЛН

         Звуковые волны присущи различным явлениям и эффектам, связанным с распространением колебаний в пространстве.
        Перечислим самые важные из них:
        1. Интересное явление, связанное с распространением звуковых волн в пространстве, - это эффект Доплера. Он основан на том факте, что длина волны изменяется со скоростью слушателя относительно источника волны. Чем быстрее слушатель приближается к источнику звуковой вибрации, тем короче регистрируемая длина волны и наоборот.

        2. Интерференция - усиление звуковых колебаний в одних точках комнаты и ослабление в других за счет наложения двух или более звуковых волн. Если мы слышим тоны разных, но достаточно близких частот от двух источников одновременно, то к нам приходят гребни обеих звуковых волн, затем гребни одной и нижняя точка другой.
        Наложение двух волн усиливает или ослабляет звук, который воспринимается слухом, как биение. Этот эффект известен как временная интерференция. Он используется, когда два музыкальных тона настроены в унисон: настройка выполняется до тех пор, пока ритм не перестанет ощущаться.
        3. Энергия звуковой волны поглощается средой в процессе ее распространения. Мы называем этот эффект поглощением звуковых волн. Следует отметить, что степень поглощения звуковой энергии зависит как от свойств среды (температура, давление, плотность), так и от частоты звуковых колебаний: чем выше частота, тем больше дисперсия звуковой волны в ее манера.
        4. Также очень важно упомянуть явление волнового движения в замкнутом пространстве, суть которого заключается в отражении звуковых волн от стен замкнутого помещения. Отражение звуковых колебаний может сильно повлиять на окончательное восприятие звука - изменить цвет, насыщенность и глубину.
        Слушатель воспринимает звук источника, находящегося в замкнутом помещении, который многократно отражается от стен помещения, сопровождаемый определенным гудением.
        5. Еще один эффект, связанный с волновым движением, и о котором необходимо помнить каждому, - это резонанс. Он заключается в значительном усилении амплитуды при наложении нескольких колебаний с одинаковой частотой.

1.2.2. ФОРМЫ ЗВУКОВЫХ ВОЛН

         Наиболее распространенные формы волн:
        1. Плоские звуковые волны. 
        Поверхность образована твердой вибрирующей плоскостью, похожей на плоский лист фанеры. В этом случае поверхность должна быть длиннее, чем длина излучаемой волны, все же плоские волны могут образовываться сами по себе в пространстве на расстоянии от излучателя.
        Лучи (направление) плоских волн всегда параллельны. такие волны существуют скорее в идеализированном представлении, чем в реальности или на значительном расстоянии от источника звука.

         2. Сферические звуковые волны. 
        Эти звуковые колебания в пространстве создаются точкой или шаром/ сферой. В отличие от плоской, при создании сферической волны излучающая поверхность должна быть меньше длины волны звука. Лучи (направление) соответствуют радиусам сферы/круглого объекта.
        Формы звуковых волн несколько произвольны и зависят от расстояния обзора отправляющего объекта.
        Таким образом, если внимательно присмотреться к сферическому объекту, излучение с одной его стороны можно представить, как плоскую волну и т.д.

         Когда твердое тело совершает серию повторяющихся колебаний между ними в форме возвратно-поступательных движений с неизбежным затуханием с течением времени (если колебания не поддерживаются некоторой внешней силой), то результирующая волна таких повторяющихся движений называется гармонической или синусоидальной, так как его последовательность уплотнения и разгрузки давления повторяет синусоидальную.
        

---

1.3. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЗВУКА

         То, что распространение звуковых волн не происходит мгновенно, можно увидеть из простейших наблюдений. Если вдали гроза, выстрел, взрыв, свист паровоза, удар топором и т.д., то все эти явления сначала видны, а уже потом, в конце, на мгновение слышен звук.
        Как и любая волна, звуковая волна характеризуется скоростью распространения содержащихся в ней колебаний. Скорость распространения волновой фазы в упругой среде жидкости или газа зависит от сжимаемости и плотности этой среды.
        В жидкостях и газах звук распространяется при постоянном давлении, и его скорость пропорциональна квадратному корню из абсолютной температуры газа.
        Основные законы распространения звука включают в себя законы его отражения и преломления на границах различных сред, а также дифракцию звука и его дисперсию при наличии препятствий и неоднородностей в среде и на границах раздела сред.
        На расстояние звукопоглощения влияет коэффициент звукопоглощения, то есть необратимая передача энергии от звуковых волн другим видам энергии, в частности, теплу.
        Важным фактором также является направление излучения и скорость распространения звука, которые зависят от окружающей среды и ее конкретного состояния.
        Акустические волны распространяются от источника звука во всех направлениях. Если звуковая волна проходит через относительно небольшое отверстие, она распространяется во всех направлениях и не следует за направленным лучом.
        Например, уличные звуки, которые проникают через открытое окно в комнате, можно услышать повсюду, а не только напротив окна.
        Распространение звуковых волн вблизи препятствия зависит от соотношения между размером препятствия и длиной волны.
        Если размеры препятствия малы по сравнению с длиной волны, волна обтекает это препятствие и распространяется во всех направлениях.
        Звуковые волны, проникающие из одной среды в другую, отклоняются от своего первоначального направления, т.е. преломляются. Угол преломления может быть больше или меньше угла падения. Это зависит от того, из какой среды исходит звук. Если скорость звука во второй среде больше, угол преломления больше угла падения и наоборот.
        Если они сталкиваются на своем пути с препятствием, звуковые волны отражаются от него в соответствии со строго определенным правилом - угол падения равен углу падения - с этим и ассоциируется термин эхо. Когда звук отражается от нескольких поверхностей на разных расстояниях, возникает несколько эхо.
        Звук распространяется в виде расходящейся сферической волны, заполняющей все больший объем. С увеличением расстояния колебания частиц среды ослабевают, и звук рассеивается.
        Известно, что для увеличения дальности передачи звук должен быть сконцентрирован в заданном направлении. Когда мы хотим, например, чтобы нас услышали, мы прикладываем руки ко рту.
        Дифракция, то есть изгиб звуковых лучей, имеет большое влияние на дальность распространения звука. Чем неоднороднее среда, тем больше изгибается звуковой луч и, соответственно, тем меньше расстояние распространения звука.

1.3.1. КАК МЫ СЛЫШИМ

          Некоторые тела вибрируют. Эти колебания распространяются: распространяется волна, а источником является тело. Волна ударяет по барабанной перепонке и заставляет ее вибрировать с той же частотой.
        Эти колебания барабанной перепонки передаются через очень сложную систему среднего и внутреннего уха, они преобразуются в нервные импульсы, которые передаются в мозг.
        О слуховом аппарате лучше поговорить подробнее на уроках биологии, сейчас главное, чтобы в конце концов мы воспринимали эти колебания как звуковые.
        Это восприятие субъективно, оно зависит от анатомии уха, нервной системы каждого человека и может отличаться от человека к человеку и развиваться, например, с возрастом.
        Кроме того, даже в пределах диапазона чувствительность человека к звукам может отличаться на разных частотах. То есть мы будем воспринимать две волны с одинаковыми ваттами на квадратный сантиметр, но с разными частотами, как звуки с разной громкостью. То, что мы воспринимаем как интенсивность звука, есть амплитуда колебаний.
        Кажется совершенно логичным то, что чем больше барабанная перепонка колеблется с большей амплитудой, тем сильнее ощущение звука, тем громче звук воспринимается.

1.4. ВЛИЯНИЕ ЗВУКА НА ЧЕЛОВЕКА

         Звуковая волна, как и любая другая продольная волна, идет единым фронтом, и ее действие продолжается в течение определенного периода времени, в течение которого сохраняется измененное состояние клеток.
        При рассеянии звуковой волны клетки тела возвращаются в то качественное состояние, в котором они находились до прихода волны.
        В этом случае человек испытывает соответствующие эмоции.
        Распространяющиеся волны чередуются друг с другом на разных частотах. Поэтому звуки, которые мы слышим, имеют разную высоту.
        Что касается человеческого тела, то в настоящее время в результате тщательных экспериментов доказано, что каждый орган человеческого тела резонирует с определенной частотой вибрации.
        Вибрация звуков создает энергетические поля, заставляющие вибрировать каждую клетку человеческого тела. Звуки обладают как лечебными, так и вредными свойствами. Лечебные свойства музыки известны давно.
        Неприятный шум может вызвать тошноту, спазмы желудка и даже повлиять на остроту зрения и вкус. Некоторые звуки успокаивают и даже впадают в кому и паралич. Остальные заставляют человека паниковать.
        Колыбель Природы, в которой родился человек, всегда была довольно скрипучей: то грохот грома, то шум водопада и дождя, то пение птиц и журчание ручья. Если человека искусственно «погрузить» в тишину, дольше 40 часов он не протянет.
        В изоляции от звуков теряется чувство реальности и само тело, полностью истощается центральная нервная система, возникают галлюцинации, снижается артериальное давление и уменьшается пульс.

   2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1. ОПЫТ

         При написании этой работы, я выбрала опыт, который захотела провести лично.  
        Опыт №1.
        Для того, чтобы провести первый опыт, мне понадобились следующие материалы:
        - Колонка;
        - Кастрюля;
        - Резинка;
        - Пакет;
        - Соль, сахар. гречка.
        Ход опыта:
        Изначально мы поместили колонку внутрь кастрюли. Далее на кастрюлю с колонкой внутри мы положили пакет, плотно его обтянули вокруг кастрюли, чтобы он стал похож на барабан. Перевязали всё резинкой. После проделанных действий, мы насыпали немного соли на натянутый пакет. Далее мы включили колонку на полную мощность и заметили то, что соль начала «подпрыгивать» и вибрировать.
        Нам стало интересно, будет ли меняться поведение рассыпчатого вещества, если заменить его и/или громкость звуков из колонки. Сахар и соль ведут себя совершено одинаково, когда включаешь колонку. Гречка же повела себя немного по-другому, мы предположили, что это связано с большим весом крупинок гречки, нежели крупинок сахара и соли.
        Мы пришли к выводу, что колонка производит колебания, которые вызывают вибрацию окружающего воздуха, генерируя звуковые волны. Эти волны ударяют по целлофану, он начинает вибрировать, заставляя 
находящиеся на нем вещества двигаться и подпрыгивать.
        

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

         Звук играет важную роль в жизни человека.
        Есть звуки, которые положительно влияют на человеческий организм, но есть и такие, которые на него действуют отрицательно. Атмосфера также может меняться в зависимости от звуков, которые вы 
слушаете.
        Человек научился использовать звук в своей жизни.
        Без звуков жизнь невозможна. Человек должен стремиться использовать окружающие звуки себе во благо. Если шум в школе вреден для учащихся и учителей, вам необходимо рассказать им об опасности шума.
        В жизни следует использовать только те звуки, которые положительно влияют на человеческий организм.
        Я изучила литературу в списке, исследуя таким образом звуковые колебания и распространение звука. Звук имеет определенную скорость и может проходить через твердые тела. Это доказывает существование звуковых волн.
        Кроме того, в ходе эксперимента я подтвердила, что звуковые волны могут воздействовать на объекты, перемещая их.
        По окончанию работы, мы решили создать памятку «Интересные факты о звуке». (Приложение 1)
        Моя гипотеза подтверждена.
        Цель работы достигнута.
        Задачи решены решены.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

• А. Н. Евсеевичева «Как это работает» изд. «ОЛМА Медиа Групп» Москва, 2014 г.
• Б.И. Спасский. Физика в её развитии. М. Просвещение, 1979.
• И.Г. Хорбенко Звук, ультразвук, инфразвук. Издательство «Знание» Москва 1978г.
• Красильников В.А., Крылов В.В. Введение в физическую акустику. М.: Наука, 1984 год
• Л.В.Тарасов. Физика в природе. –М.: Просвещение, 1988.
• Л.Л. Мясников «Неслышимый звук» изд. «Наука» Москва, 1988 г.
• Львовский М. Б., Львовская Г. Ф. Преподавание физики с использованием компьютера. // Информатика и образование —  М.1999, № 5.
• М. Льоццы «История физики» изд. «Мир» Москва, 1970 г.
• Роль гармонического спектра в восприятие высоты и тембра звука// Музыкальное искусство и наука. Вып.1. –– М.: Музыка, 1970
• Учебник Физика 9 класс А.В. Перышкин, Е.М. Гутник (2014 год)
• Энциклопедия для детей. Физика, т. 16, ч. 2 М. Аванта 2000 г.
• Я.И. Перельман «Занимательная физика» изд. «Центрполиграф» Москва, 2014 г.

  ---

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1