Исследовательская работа: Можно ли увидеть звук?

РАЙОННАЯ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ

ОБУЧАЮЩИХСЯ

МБОУ «МАГИСТРАЛЬНИНСКАЯ СОШ № 22»

Секция: естественно-научная

Исследовательская работа: Можно ли увидеть звук?

Автор: Зубов Максим Владимирович

Класс: 4Б

Руководитель: Зубарева Анна Вячеславовна

Должность: учитель начальных классов

2023 год

СОДЕРЖАНИЕ

Введение    ………………………………………………………………….3

1.Основная часть   .………………………………………………………...5

1.1 Звук и звуковая волна.……………………………………………........5

1.2 История появления фигур Хладни.………………………………...…6

1.3 Объяснение эффекта   …………………………………………………8

2. Практическая часть   .…………………………………………………...9

Заключение………………………………………………………………..13

Список литературы……………………………………………………….14

Приложения……………………………………………………………….15

ВВЕДЕНИЕ

Во все времена звук привлекал интерес людей – почему мы его слышим, как он появляется, чем различается. Мы постоянноулавливаем и произносим множество звуков.Наука, которая их изучает, называется акустикой (от греч. «слышу»).

Многие знают, что  звук - это волна, колебание или вибрация. Значит ли это, что мы можем увидетьзвуковые колебания? Этим вопросом задавались многие учёные. Но наиболее популярными стали работы немецкого физика Эрнста Хладни.Именно его эксперименты с вибрацией упругих пластин, в ходе которых возникали интересные узоры, получили известность. Позже эти эффекты назовут киматикой, а узоры – фигурами Хладни. (Рис.1)

Киматика (от греч. «волна») — физические эффекты звуковых волн. Эффектным и занимательным примером киматических явлений являются фигуры Хладни.

Гипотеза: звук можно увидеть.

Цель исследования: увидеть звук на примере образования фигур Хладни.

Задачи исследования:

1. Найти и изучить информацию о звуке и звуковой волне.
2. Найти и изучить историю получения фигур Хладни.
3. Дать объяснение эффекту.
4. Провести эксперимент с получением фигур Хладни.
5. Проанализировать полученные результаты.

Объект исследования:звук.        

Предмет исследования:фигуры Хладни.

Проблема исследования:опытным путём выяснить при каких условиях возможно увидеть звук.

Актуальность темы:популяризация темы среди школьников.

Методы исследования:

1. Поиск информации.
2. Изучение и анализ литературы.
3. Эксперимент.
4. Наблюдение.
5. Анализ результатов эксперимента.

1 Основная часть

1.1 Звук и звуковая волна

Звук - физическое явление, представляющее собой распространение упругих волн в газообразной, жидкой или твёрдой среде.

Проще говоря, звуком называют механические колебания, распространяющиеся в окружающей среде (воздух, вода, твердые тела) и воспринимаемые органом слуха.В вакууме, где нет среды, нет и звуков.

Любые тела, которые колеблются, являются источниками звука. В скрипке и гитаре колеблется струна, в наушнике телефона — мембрана; когда мы говорим, колеблются голосовые связки.

Звуковые волны

 Когда тела колеблются и вызывают колебания окружающего воздуха или иной среды, они издают звуки. При этом частицы среды тоже начинают колебаться, образуя волну, проходящую в среде. Частицы среды могут совершать колебания как вдоль направления распространения волны, так и поперек. Соответственно различают продольные и поперечные механические волны.

Звуковая волна - волна, которая представляет собой колебание давления, передаваемого через твердое тело, жидкость или газ, c частотой в диапазоне слышимости.

Звуковые волны кажутся схожими с волнами на воде. Если на поверхность озера бросить маленький камень, то от места падения в разные стороны побегут волны. Возникают они потому, что частички воды на поверхности совершают колебания и эти колебания передаются следующим частичкам, то есть волной называется процесс распространения колебаний со временем. Волны на поверхности воды мы можем видеть непосредственно, они поперечные, ведь частицы воды движутся вертикально, вверх-вниз, а волна распространяется горизонтально. Но многие механические волны невидимые, например, звуковые волны, распространяющиеся в воздухе, мы можем только слышать. Ученые установили, что звуковые волны отличаются от волн на поверхности воды тем, что они продольные. Частицы среды колеблются вперед-назад вдоль направления движения волны, а не перпендикулярно ему, как в поперечных волнах. Еще одно отличие в том, что звук распространяется во всех направлениях, а не только горизонтально, как волны по воде.

1.2 История появления фигур Хладни

В конце XVIII века немецкий физик и исследователь акустики Эрнст Хладни наблюдал эти замечательные узоры в ходе своих экспериментов с вибрацией упругих металлических пластин, посыпанных песком.

Закрепленная в своем центре, расположенная горизонтально на стойке, квадратная металлическая пластина начинала вибрировать с частотой звукового диапазона благодаря действию скрипичного смычка, которым экспериментатор проводил по ее краю. Частоту и характер колебаний пластины можно было легко регулировать, прикладывая палец к тому или иному месту на другом ее крае.

Примечательно, что 8 июля 1680 года, то есть за век до Хладни, английский ученый Роберт Гук, исследовавший изменение формы предмета от действия на него звуковых колебаний, впервые наблюдал вибрацию стеклянной тарелки, присыпанной мукой, по краю которой он проводил скрипичным смычком.

Мука на вибрирующей тарелке образовывала при этом очень интересные узоры. Таким образом, работы Хладни с металлическими пластинами и песком можно справедливо считать продолжением исследований, начатых в свое время Робертом Гуком.

Как писал сам Хладни, изначально его внимание привлек тот факт, что подвешиваемая за разные места круглая металлическая пластина издает при ударе по ней звуки различные по тону. Получались совершенно необыкновенные звездообразные фигуры, которые были продемонстрированы самому Наполеону.

В середине XX века фигуры Хладни изучал Ханс Дженнис помощью придуманного им устройства «тоноскоп».  В 1967−1972 годах  Дженни издал двухтомник «Киматика». Богато иллюстрированная книга многократно переиздавалась.

В чём же важность и ценность проведённых Эрнстом Хладни исследований?

 Во-первых, как говорил сам Хладни, благодаря его исследованию появилась возможность звук не только слышать, но и видеть.

Во-вторых, он экспериментальным путём доказал существование стоячей звуковой волны, которая собственно и формирует все эти  узоры. Но самое главное, эксперимент Эрнста Хладни наглядно показывает, как сильно отличаются низкие и высокие звуковые вибрации.

Суть эксперимента в том, что при низких вибрациях формируются самые грубые простые узоры – геометрические фигуры: квадраты, кресты, круги. Но по мере повышения вибрации звука на пластинах вырисовываются всё более сложные узоры – звёзды, орнаменты и так далее.

Важно отметить, что пластины квадратной формы при воздействии смычка будут издавать низкие вибрации, а вот пластины круглой формы – более высокие. Поэтому, если есть желание и возможность увидеть именно разницу между низкими и высокими вибрациями, необходимо повторить эксперимент на квадратной и на круглой пластине. Звук, издаваемый квадратной пластиной, будет формировать более примитивные узоры, а звуки на круглой пластине – более замысловатые.

1.3 Объяснение эффекта        

Принцип формирования фигур Хладни состоит в следующем. Когда пластина вибрирует от действия смычка, по ней распространяются упругие поперечные колебания. При этом вся пластина разделяется на области, которые колеблются в противоположных направлениях относительно друг друга и относительно областей покоя. Области покоя формируют так называемые узловые линии, которые вообще не колеблются, но которые расположены между колеблющимися областями - пучностями. (Рис.2)

В итоге, насыпанные на пластину частички соли, муки или манки начинают подпрыгивать на тех ее местах, где амплитуда колебаний достаточно велика. Частички сбиваются с этих мест, попадая на другие места пластины, в результате они находят покой в тех ее местах, где практически нет колебаний - на узловых линиях. Это места, на которые приходятся узлы распространяющихся по пластине упругих волн.

Прикладывая к пластине палец, экспериментатор не только изменяет частоту собственных колебаний пластины, но также создает дополнительный узел для волн. В результате узор из песка, муки или манки оказывается нанесен как раз по узловым линиям.

2Практическая часть

Существует несколько способов визуализации звука:

1. Закрепить металлическую пластину по центру. Насыпать песок. Проводить смычком по краю пластины и наблюдать за тем, как себя поведёт песок.
2. К динамику прикрепить пластину по центру. Насыпать песок или соль. При помощи онлайн тонгенератора, меняем частоту и наблюдаем за фигурами.
3. На колонку установить миску с водой. При помощи онлайн тонгенератора, меняем частоту и наблюдаем за поведением воды.
4. Собрать тоноскоп из доступных материалов. Насыпать песок и петь разные звуки в разной тональности. Наблюдать, что происходит с песком под воздействием голоса.

Я решил провести несколько экспериментов. Мне потребуется сконструировать устройство, с помощью которого мы будем наблюдать фигуры Хладни.

Эксперимент № 1

Материалы: пластиковое ведро от краски без крышки, пакет чёрного или синего цвета, пластиковая труба, манка.

Ход эксперимента:

1. В пластиковом ведре сбоку вырежем круглое отверстие для трубы.
2. Хорошо натянем пакет на ведро сверху.
3. Вставим пластиковую трубу в отверстие.
4. На пакет насыпим манку.
5. Поем в трубу звуки в разной тональности.
6. Наблюдаем за крупой.
7. Фотографируем получившиеся узоры.
8. Повторяем эксперимент.

Результаты эксперимента:в ходе экспериментая получил несколько фигур Хладни. (Рис.3,4,5). При изменении тональности зоны пучностей и узлов менялись, соответственно, менялся узор. Манка реагировала не на все звуки. Предполагаю, что голосом не всегда получается воспроизвести необходимую частоту. Так же размер ведра был большой и, вероятно, мне не хватало силы голоса.

Эксперимент № 2

Я решил сделать маленький тоноскоп и сравнить полученные результаты.

В данном эксперименте в качестве мембраны я использовал не пакет, а кусок резиновой ленты. Широкую трубу заменил на тонкий шланг. Так же сделал дополнительное отверстие для того, чтобы выходил лишний воздух и мембрана не надувалась.

Материалы: маленькое пластиковое ведёрко, шланг, пяльцы, резина, манка, соль.

Ход эксперимента:

1. В пластиковом ведёрке вырежем отверстие для шланга и маленькое отверстие для выхода воздуха.
2. На дно укладываем утяжелитель в виде пакетика с солью.
3. Вставляем шланг.
4. Натягиваем резину на пяльцы для будущей мембраны.
5. Кладём мембрану на ведро, фиксируя при необходимости.
6. Насыпаем манку.
7. Поём звуки в шланг.
8. Наблюдаем за крупой.
9.  Фотографируем получившиеся узоры.
10.  Повторяем эксперимент.

Результаты эксперимента: с данным видом тоноскопа узоры тоже получались. (Рис.6,7). Но особенность в том, что в тонкий шланг не получается пропеть звук «А», широкая труба для него подходит больше. В целом, усилий требовалось меньше, чем с большим ведром.

Эксперимент № 3

Материалы: динамик, металлическая миска, манка, телефон, онлайн тонгенератор.

Ход эксперимента:

1. Подключаем динамик к телефону.
2. Устанавливаем миску на динамик.
3. Насыпаем в миску манку.
4. Включаем тонгенератор и регулируем частоту.
5. Наблюдаем за крупой.
6. Фотографируем получившиеся узоры.
7. Повторяем эксперимент.

Результаты эксперимента: в данном эксперименте у меня была возможность воздействовать на крупу определёнными частотами. Колонка, с помощью тонгенератора, чётко выдавала частоту. Узоров получалось значительно больше, и они были чёткими. (Рис. 8,9,10,11,12,13,14). Я смог получить фигуры Хладни как на высоких, так и на низких частотах. Стоит отметить, что чёткость фигур так же зависела от уровня громкости. Чем громче звук, тем чётче вырисовывались фигуры на высоких частотах. А на низких частотах я получал более чёткий узор при небольшой и средней громкости.

Эксперимент №4

Материалы: динамик, металлическая миска, вода, телефон, онлайн тонгенератор.

Ход эксперимента:

1. Подключаем динамик к телефону.
2. Наливаем в миску воду.
3. Устанавливаем миску на динамик.
4. Включаем тонгенератор и регулируем частоту.
5. Наблюдаем за водой.
6. Фотографируем получившиеся узоры.
7. Повторяем эксперимент.

Результаты эксперимента: в ходе работы удалось получить различные варианты узоров.(Рис.15,16,17,18,19). Они выглядят иначе, чем с манкой.  Как и в предыдущих экспериментах, вид узора зависит от частоты и громкости.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе проделанной работы мне удалось подтвердить гипотезу – звук можно увидеть.

Цель была достигнута. В результате изучения литературы и применения полученных знаний на практике, удалось получить фигуры Хладни. Также я установил связь между качеством узора, частотой воздействия и громкостью звука. Наиболее сложные и красивые узоры получаются при высоких частотах.

Для ещё более глубокого изучения данной темы необходимо провести ряд экспериментов с более чувствительной аппаратурой и другими формами пластин. Однако, эксперименты, проведённые мной, могут быть использованы в качестве наглядного материала для школьников. Я уверен, что такая физика станет очень занимательной для всех.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

http://electrik.info/main/master/1836-figury-hladni.html

https://ru.wikipedia.org/wiki/Звук

https://ru.wikipedia.org/wiki/Киматика

https://ru.wikipedia.org/wiki/Пучность

https://www.physbook.ru/index.php/Слободянюк_А.И._Физика_10/19.4.III

https://www.polnaja-jenciklopedija.ru/nauka-i-tehnika/zvuk.html

https://www.oum.ru/literature/raznoe/figury-khladni/