Интегрированный урок физика + биология по теме "Мир звуков"
учебно-методический материал по естествознанию (9 класс) по теме

Интегрированный урок физика + биология по теме "Мир звуков"

Карбовская Анна Александровна, учитель физики

Маштакова Галина Геннадьевна, учитель биологии

Статья отнесена к разделу: Преподавание физики, Преподавание биологии

Цели урока:

Образовательная – формирование у учащихся представления о звуковых волнах, их характеристиках с точки зрения физики; изучение механизма передачи и восприятия звука живыми организмами;

Развивающая – развитие мышления учащихся, интереса к предмету на основе интеграции знаний;

Воспитательная – формирование навыков публичных выступлений, поиска информации и методов работы с информацией..

Оборудование: компьютер, мультимедийный проектор, экран, магнитофон, аудиокассеты с записями различных звуков, музыкальный инструмент (гитара), камертон, осциллограф.

Ход урока

Организационный момент. Сообщение цели урока.

На сегодняшнем уроке мы продолжаем изучение волновых явлений, ознакомимся с звуковыми волнами, выявим характеристики звука.

Актуализация знаний.

Перед изучением новой темы проверим ранее полученные знания. Устный опрос(проводит учитель физики).

1. Что такое волна? (Волна – это распространение колебаний в среде.)

2. Какие виды волн вы знаете? (Поперечная и продольная.)

3. Какими величинами характеризуются волновые явления? (Амплитуда, частота, период.)

4. Что такое амплитуда колебания? (Это наибольшее отклонение от положения равновесия.)

5. Что такое частота? (Это число колебаний в единицу времени.)

6. Что такое период? (Это время одного полного колебания.)

7. Какова единица измерения периода? Частоты? (с, Гц)

Изучение новой темы.

Мир звуков так многообразен,

 Богат, красив, разнообразен…

 Но всех нас мучает вопрос:

 Откуда звуки возникают,

 Что слух наш всюду услаждают?

Звуки – с древнейших времен средство связи и общения людей. Человек живет в мире звуков. Звук-это то, что слышит ухо. Мы слышим голоса людей, пение птиц, звуки музыкальных инструментов, шум леса, гром вовремя грозы. Раздел физики, в котором рассматриваются свойства звуковых волн, закономерности их возбуждения, распространения и действия на препятствия, называется акустикой (учитель физики).

Историческая справка (выступление ученика с презентацией на опережение темы Презентация 1).

Учитель физики. Итак, звук – это упругие волны, распространяющиеся в газах, жидкостях, твердых телах и воспринимаемые ухом человека и животных. Механические волны, которые вызывают ощущение звука, называют звуковыми волнами. Звуковые волны являются в основном продольными, т.е. это чередование сгущений и разрежений. Скорость распространения звуковой волны зависит от свойств среды.

Источники звука. (Презентация2) Когда мы слышим какой-нибудь звук, мы можем установить источник звука.

Опыт 1. Возьмем камертон (это изогнутый металлический стержень на ножке) и ударим молоточком по камертону. К звучащему камертону поднесем легкую стеклянную бусинку на нити. Бусинка отскакивает. Почему? Это значит, что ветви камертона колеблются.

Опыт 2. Тронем струны гитары и приглядимся внимательно, и мы увидим размытые очертания, некоторое утолщение струны. Это также свидетельствует о том, что струна колеблется. Эти опыты показывают нам, что любой источник звука обязательно колеблется.

Но любое ли колеблющееся тело является источником звука?

Опыт 3. Рассмотрим колеблющийся маятник. Звука нет. Почему? Потому что частота маленькая.

Диапазон слышимых звуков (учитель биологии).

Исследования показали, что человеческое ухо способно воспринимать как звук механические колебания в пределах от 16 Гц до 20000Гц. Колебания этого диапазона частот называются звуковыми. Но указанные границы диапазона несколько условны, т.к. зависит от индивидуальных особенностей слухового аппарата, от возраста людей. Волны частотой менее 16 Гц называются инфразвуком, а частотой от 2 • 104 Гц – ультразвуком. Самый низкий из слышимых человеком музыкальных звуков имеет частоту 16 колебаний в секунду. Он извлекается органом. Используется редко, очень басовит. 27 колебаний в секунду-тон тоже редкий. Услышать его можно, нажав крайнюю левую клавишу рояля.

(Выступление ученика на опережение темы.)

Инфразвуковые волны.  Приложение 1

Ультразвук. Приложение 2

Как мы слышим (учитель биологии).

Рассмотрим ухо человека в разрезе. (Рисунок 1) Оно состоит из трех частей: наружного, среднего и внутреннего уха. Наружное ухо – это ушная раковина и оканчивающийся в ней наружный слуховой проход. Элементы наружного уха служат для того, чтобы подводить энергию звуковых волн к барабанной перепонке – мембране, полностью перекрывающей наружный слуховой проход в самом его конце. Барабанная перепонка и соединенная с ней цепочка из трех слуховых косточек (наковальня, молоточек и стремя) – элементы среднего уха – передают звуковые колебания дальше, в элемент внутреннего уха, называемый улиткой, где они преобразуются в последовательность нервных импульсов, идущих в мозг по слуховому нерву. Внутреннее ухо представляет собой замкнутую полость в височной кости черепа. Только в области овального и кругло-круглого окон имеются эластичные мембраны, которые могут прогибаться. Вся полость внутреннего уха заполнена жидкостью.

Для того чтобы понять принцип работы среднего уха, вообразим сначала, что оно вообще у нас отсутствует. Как в этом случае изменится наш слух? Если звуковые волны из воздуха будут непосредственно падать на овальное окно внутреннего уха, то энергия волны, прошедшей через мембрану, составит лишь 0,1 % первоначальной ее энергии, так как акустические импедансы воздуха и жидкости, заполняющей внутреннее ухо, различаются более чем в 1000 раз. Элементы среднего уха служат для того, чтобы свести к минимуму потери энергии при передаче звука от наружного уха к внутреннему. Барабанная перепонка у человека имеет площадь около 0,7 см2. Посредством слуховых косточек она связана с мембраной овального окна, площадь которой всего лишь 0,03 см2*). Таким образом, среднее ухо работает как преобразователь давления, увеличивая звуковое давление на мембрану овального окна.

Скорость звука (учитель физики).

Как и всякая волна, звуковая волна характеризуется скоростью распространения колебаний в ней. С длиной волны l и частотой колебаний n, скорость V связана уже известной нам формулой:

υ= λ/ T , υ= ν* λ.

Скорость звука различна в различных средах (веществах). Так, в воздухе при температуре 20 °С скорость звуковых волн (любых длин волн) равна 340 м/с. В других средах она может быть иной. В таблице приведены данные о скорости звука в разных средах.Вещество        Скорость звука (м/с)

Воздух        343

Водород        1300

Вода        1400

Морская вода        1560

Дерево        4000

Железо        500

Гранит        6000

Громкость и высота звука (учитель физики).

Громкость звука – это субъективная характеристика, которая зависит от частоты колебаний и чувствительности человеческого уха. – ФЭС  (Рисунок 2.) Объективной характеристикой звука является интенсивность. Интенсивность звука – это энергия, которую переносит звуковая волна за единицу времени через единицу площади поверхности, перпендикулярной направлению распространения волны. Выражается она в системе СИ в единицах Вт/м2.

Громкость звука зависит от амплитуды и частоты колебаний в звуковой волне. Наиболее чувствительны наши органы слуха к частотам в диапазоне от 700 до 6000 Гц. В этом диапазоне ухо способно воспринимать звуки интенсивностью около 10–12–10–11 Вт/м2. Порогом слышимости называется наименьшая интенсивность звуковой волны, которая может быть воспринята органом слуха. При частоте 1 кГц порог слышимости составляет 10–12 Вт/м2.

За единицу громкости звука принят бел (в честь Александра Грэхема Белла, изобретателя телефона) [это логарифм отношения мощности звука к начальной мощности, отвечающей порогу слышимости: громкость звука равна 1 Б, если его мощность в 10 раз больше порога слышимости. На практике громкость измеряют в децибелах (дБ): 1 дБ = 0,1Б. (рисунок 2)

10 дБ – шепот;

 20–30 дБ – норма шума в жилых помещениях;

 40 дБ – тихий разговор;

 50 дБ – разговор средней громкости;

 70 дБ – шум пишущей машинки;

 80 дБ – шум работающего двигателя грузового автомобиля;

 100 дБ – громкий автомобильный сигнал на расстоянии 5–7 м;

 120 дБ – шум работающего трактора на расстоянии 1 м;

 130 дБ – порог болевого ощущения.

Порогом болевого ощущения называется интенсивность звука, вызывающего болевые ощущения. Он практически не зависит от частоты и составляет примерно 1 Вт/м2. Звук громкостью свыше 180 дБ может даже вызвать разрыв барабанной перепонки.

Звук, издаваемый телом, которое колеблется с одной, строго определенной частотой, называется тоном. Например, камертоны различного размера издают звуки разного тона. Частота колебаний характеризует высоту тона. Например, летящий комар издает звук высокого тона, шмель – звук низкого тона.

Демонстрируются звучания камертона и колокола (в записи).

Вот как, кстати, описал А.П.Васильев работу звонаря: “Как динамичен звонарь во время звона! Все возможные "рычаги" его тела работали самостоятельно, каждый выполнял "свою партию" в этом сложнейшем, уникальном труде. Правой рукой он управлял клавиатурой мелких колоколов, а локтем этой же руки он ударял по натянутой веревке дальнего колокола. Левой же управлял несколькими более тяжелыми колоколами”.

Итак, высота тона определяется частотой колебаний. Звуки человеческого голоса делят на несколько диапазонов:

бас – 80–350 Гц, а английский певец Норман Аллин даже брал частоту 44 Гц (включается фрагмент записи Ф.И.Шаляпина);

баритон – 110–149 Гц (фрагмент записи В.С.Высоцкого);

тенор – 130–520 Гц (фрагмент записи И.С.Козловского);

дискант – 260–1000 Гц (фрагмент записи голоса Р.Лоретти);

сопрано – 260–1050 Гц (фрагмент записи Г.П.Вишневской);

колоратурное сопрано – до 1400 Гц, а француженка Мадо Робен брала ре четвертой октавы – 2300 Гц.

Еще одна очень важная характеристика звука – тембр. Это качество звука, которое придает индивидуальную окраску звучанию источника. Он зависит от состава звука. Тон, соответствующий наименьшей частоте в наборе частот данного звука, называется основным. Тоны более высоких кратных частот называются обертонами.

Демонстрация осциллограмм тембра голосов учащихся на экране осциллографа.

Учитель биологии. Итак, мы охотно слушаем музыку, пение птиц, приятное человеческое пение. Напротив, тарахтение телеги, визг пилы, мощные удары молота нам неприятны, они раздражают и утомляют. По действию, производимому на нас, все звуки делятся на музыкальные и шумы. (Рисунок 3.)

Еще древние заметили, что музыкальные звуки благотворно действуют на психику, и использовали их для лечения. В Средние века звуком колокола сообщали о радостях и несчастьях.

Шумами называются звуки, образующие непрерывный набор частот, заполняющих некоторый интервал (скрип дверей, визг пилы, шипение змеи и т.д.) (рисунок 3)

В клубе, в аптеке, в кино, в магазине,

 Где на пружине, где на резине

 Хлопают двери, покоя не зная,

 Людям привычно, словно в трамвае.

 Входят, выходят, а дверь за собою

 Никто не придержит, никто не прикроет.

 Учатся дети скверной манере.

 Хлопают двери, хлопают двери...

 Хлопают, бухают, словно взбесились...

И. Васильевский

Закрепление изученного материала.

Проверочный тест. Приложение 3.

Подведение итогов урока

Домашнее задание:

§ 35–38, ответить на вопросы к параграфам;

Дополнительное задание составить кроссворд на тему “Звук”.

Инфразвуковые волны человеческое ухо не воспринимает. Однако они оказывают определенные физиологическое воздействие. Объясняются эти действия резонансом. Собственные колебания наших органов достаточно низкие: брюшная полость и грудная клетка 5-8Гц, голова 20-30 Гц. Средняя резонансная частота всего тела составляет 6 Гц. Инфразвуковые волны того же порядка заставляют наши органы вибрировать и при очень большой интенсивности способны привести к внутренним кровоизлияниям. Облучение людей достаточно интенсивным инфразвуком может вызвать потерю чувства равновесия, тошноту, непроизвольные вращения глазных яблок. Например, на частоте 4-8 Гц человек ощущает перемещение внутренних органов, а на частоте 12 Гц – приступ морской болезни. Рассказывают, что однажды американский физик Р.Вуд (весельчак) принес в театр специальный аппарат, излучающий инфразвуковые волны, и, включив его, направил на сцену. Никакого звука никто не услышал, однако с актрисой случилась истерика. Резонансным влиянием на человеческий организм низкочастотных звуков объясняется и возбуждающее действие современной рок-музыки, насыщенной многократно усиленными низкими частотами барабанов, бас-гитар и.т.д. Инфразвук слышат некоторые животные. Например медузы (8-13 Гц), такие колебания возникают при шторме в результате взаимодействия потоков воздуха с гребнями морских волн. Достигая медуз, эти волны заранее (за 15 часов) «предупреждают» их о приближающемся шторме. Источниками служат: грозовые разряды, орудийные выстрелы, извержения вулканов, землетрясения, взрывы атомных бомб, ветер.

(выступление ученика с презентацией на опережение темы).

Ультразвук.

Воспринимают некоторые животные. Например дельфины, благодаря ему, уверенно ориентируются в мутной воде. Посылая и принимая возвратившиеся назад ультразвуковые импульсы, они способны на расстоянии 20-30 м обнаружить даже маленькую дробинку, осторожно опущенную в воду. Благодаря ультразвуку ориентируются плохо видящие летучие мыши. Издавая с помощью своего слухового аппарата ультразвуковые волны (до 250 раз в сек) они ориентируются в полете и ловят добычу даже в самой полной темноте. А у некоторых насекомых в ответ на это выработалась особая защитная реакция: отдельные виды жуков и бабочек оказались способными принимать ультразвуки, издаваемые летучими мышами, и, услышав их, они тут же складывают крылья, падают вниз и замирают на месте.

Ультразвуковые сигналы используются некоторыми зубчатыми китами. Эти сигналы позволяют им охотиться на кальмаров при полном отсутствии света. А звуки с частотой более 25 кГц вызывают болезненные ощущения у птиц. Это используют для отпугивания чаек от водоемов с питьевой водой.

Используют ультразвук в эхо- и гидролокации, дефектоскопии, пайка алюминия, звуковидение, медицине (пайка сломанных костей, обнаружение опухолей, диагностика в акушерстве), стерилизация молока, лекарств.

Проверочный тест

I вариант

1. Источником звука является….

а) любое колеблющееся тело б) тела, колеблющиеся с частотой более 20 000 Гц

в) тела, колеблющиеся с частотой от 20 Гц до 20000 Гц

г) тела, колеблющиеся с частотой ниже 20 Гц

2. Громкость звука определяется…

а) амплитудой колебаний источника звука б) частотой колебаний источника звука

в) периодом колебаний источника звука г) скоростью движения источника звука

3. Какой волной является звук?

а) продольной б) поперечной в) имеет продольно-поперечный характер

4. Инфразвуком называются механические колебания с частотой …

а) от 20 до 20 000 Гц б) выше 20 000 Гц в) ниже 20 Гц г) выше 20 Гц.

 5. Высота тона звука определяется…

а) амплитудой колебаний источника звука б) частотой колебаний источника звукав) длиной волны звука г) скоростью движения источника звука

6. Ультразвуком называются механические колебания с частотой …

а) от 20 до 20000 Гц б) выше 20000 Гц в) ниже 20 Гц г) ниже 20000 Гц

7.Какова примерно самая высокая частота звука, слышимая человеческим ухом?

а) 20 Гц б) 20 кГц в) 200 Гц г) 2000 Гц.

8. Какое насекомое чаще машет крыльями в полете: шмель или комар?

а) комар, так как у него большая частота колебаний крыльев

б) комар, так как у него большая амплитуда колебаний крыльев

в) шмель, так как у него более низкий звук

г) шмель, так как у него большая амплитуда колебаний

9. От чего зависит тембр звука?

а) от амплитуды б) от разного набора обертонов в) от частоты

II вариант

1. Какой волной является звук?

а) продольной б) поперечной в) имеет продольно-поперечный характер

2. От чего зависит тембр звука?

а) от амплитуды б) от разного набора обертонов в) от частоты

3. Высота тона звука определяется…

а) амплитудой колебаний источника звука б) частотой колебаний источника звука

в) длиной волны звука г) скоростью движения источника звука

4. Источником звука является….

а) любое колеблющееся тело б) тела, колеблющиеся с частотой более 20 000 Гц

в) тела, колеблющиеся с частотой от 20 Гц до 20000 Гц

г) тела, колеблющиеся с частотой ниже 20 Гц

5. Громкость звука определяется…

а) амплитудой колебаний источника звука б) частотой колебаний источника звука

в) периодом колебаний источника звука г) скоростью движения источника звука

6.Какова примерно самая высокая частота звука, слышимая человеческим ухом?

а) 20 Гц б) 20 кГц в) 200 Гц г) 2000 Гц.

7. Ультразвуком называются механические колебания с частотой …

а) от 20 до 20000 Гц б) выше 20000 Гц в) ниже 20 Гц г) ниже 20000 Гц

8. Инфразвуком называются механические колебания с частотой …

а) от 20 до 20 000 Гц б) выше 20 000 Гц в) ниже 20 Гц г) выше 20 Гц.

9. Какое насекомое чаще машет крыльями в полете: шмель или комар?

а) комар, так как у него большая частота колебаний крыльев

б) комар, так как у него большая амплитуда колебаний крыльев

в) шмель, так как у него более низкий звук

г) шмель, так как у него большая амплитуда колебаний