Конспект урока по теме "Звуковые волны"
план-конспект урока по физике (11 класс) по теме

ГБОУ СОШ № 1112

Подлесных Ирина Евгениевна

ТЕМА: «Звуковые волны»

Тип урока: урок изучения нового материала.

Оборудование: камертон, стеклянный колокол от воздушного насоса, таблица «Слуховой анализатор», презентация.

Цели урока:

- выяснить, что является источником звука, определить его  характеристики;

- установить связь физики, биологии и музыки;

- развивать умение обучающихся работать с текстом, выделять главную мысль;

- развивать интерес и познавательную активность обучающихся на уроке

- воспитывать активное отношение к познанию окружающего мира.

План урока.

1. Оргмомент.
2. Актуализация знаний.
3. Изучение нового материала. Работа с текстами.
4. Самопроверка (тест).
5. Итог урока.
6. Домашнее задание.

1.  1) Приветствие.

 2) Проверка готовности обучающихся к работе.

 3) Организация внимания:

 -  Ребята, посмотрите внимательно на таблицы и схемы на доске. Подумайте, о чем пойдет речь сегодня на уроке?

Действительно, тема нашего урока «Звуковые волны». Нам предстоит узнать, что является источником звука, каковы его характеристики. Вспомним из курса биологии строение нашего уха и попытаемся ответить на вопрос, как слышит ухо. Познакомимся с такими интереснейшими явлениями как инфразвук и ультразвук. И это далеко не все. Но сначала давайте вспомним основные понятия, основные характеристики колебательного и волнового движения.

II. Обучающиеся друг другу задают вопросы (колебательное движение; основные характеристики колебаний: амплитуда, период, частота, фаза; волна; продольные и поперечные волны; длина волны, скорость распространения волны).

III. 1. Из истории акустики.

Мы живем в мире звуков. Нас окружает шум нашего города, шелест листвы, голоса друзей, звуки железной дороги. Одни звуки успокаивают, другие поднимают настроение, третьи вызывают грусть, четвертые зовут к действию, движению. Человек, который не слышит от рождения, не может овладеть речью, мир для него лишен многообразия.

Раздел физики, занимающийся изучением звуковых явлений, называется акустикой.

О том, как рождаются звуки и что они собой представляют, люди начали догадываться очень давно. Заметили, к примеру, что звук создают вибрирующие в воздухе тела. Еще древнегреческий ученый Аристотель, исходя из наблюдений, верно объяснил природу звука, полагая, что звучащее тело создает попеременное сжатие и разрежение воздуха. Так, колеблющаяся струна то уплотняет, то разряжает воздух, благодаря упругости которого эти чередующиеся воздействия передаются в пространство от слоя к слою, вызывают упругие звуковые волны.

Проблемы акустики интересовали Леонардо да Винчи, Г.Галилея, И.Ньютона, Д.Бернулли, Г.Ома, П.Н.Лебедева и других крупнейших ученых. В этой области наук было сделано столько много, что к концу XIX века многие ученые считали дальнейшее развитие акустических исследований бесперспективными. Однако не прошло и нескольких десятилетий, как эта наука вновь заняла умы многих ученых.

2. Источники звука.

Итак, источником звука всегда являются колеблющиеся тела: струны, камертон, столб воздуха в духовых инструментах и др. А проводником звука может быть любая упругая среда. Наше ухо воспринимает в виде звука колебания, частота которых лежит в пределах от 20 до 20000 Гц.

Демонстрация. Камертон представляет собой изогнутый металлический стержень на ножке. При ударе резиновым молоточком камертон издает чистый, но негромкий звук частотой 440 Гц. Для улучшения звучания камертон устанавливают на резонаторном ящике. При звучании камертона в колебание приходит столб воздуха в ящике. Этот столб колеблется в резонанс с колебаниями камертона, поэтому камертон издает более громкий звук. Кроме того, резонаторный ящик подобен рупору, направляя звуковые волны в одну сторону. Звучит и стеклянный колокол от воздушного насоса при ударе по его краю резиновым молоточком. Благодаря большой поверхности колокол издает довольно громкий звук.

3. Как слышит ухо?

Доклад ученика (приложение)

4. Характеристики звука.

В слуховом ощущении звуки различаются по высоте, громкости и тембру. Эти физиологические характеристики зависят от частоты, амплитуды, формы колебаний.

Звуковые колебания, происходящие по гармоническому закону, воспринимаются человеком как музыкальный звук, или тон.

1. Колебания большой частоты воспринимаются как звуки высокого тона. Звуки малой частоты – как звуки низкого тона.

Высота звука зависит от частоты колебаний: чем больше частота колебаний источника звука, тем выше издаваемый им звук (график).

Звуки мужского голоса более низкие, чем звуки женского голоса, звуки баса ниже звуков тенора, сопрано выше альта.

2. Громкость звука: чем больше амплитуда колебаний, тем громче звук (график).

При одинаковых амплитудах как более громкие мы воспринимаем звуки, частоты которых лежат в пределах от 1000 до 5000 Гц, поэтому высокий женский голос с частотой 1000 Гц будет для нашего уха громче низкого мужского с частотой 200 Гц, даже если амплитуда колебаний голосовых связок в обоих случаях одинаковы.

3. Тембр.

Всем хорошо известно, что звуки одной и той же высоты, воспроизведенные на разных инструментах, отличаются друг от друга мягкостью или резкостью. Качество музыкального звука, его своеобразная «окраска» характеризуется тембром. Камертоны, звуковые генераторы создают звуки чистого тона (только одной частоты), и это простые, как бы «пресные» звуки. В скрипке или трубе порождаются колебания более сложной формы, которым соответствуют более сложные звуки, красивые и выразительные (график). Вот некоторые характеристики тембра: густой, глубокий, мужественный, суровый, бархатистый, матовый, блестящий, легкий, тяжелый, насыщенный.

«Простые тоны, какие мы имеем от наших камертонов, - писал Столетов, - не употребляются в музыке, они так же пресны и безвкусны, как химически чистая вода, - они бесхарактерны».

Тембр зависит от материала, из которого изготовлен инструмент, от формы инструмента.

- А теперь поработаем самостоятельно. Вам дается 5 мин, чтобы прочитать текст, выделить основную мысль, а затем изложить всем остальным.

- Давайте послушаем о том, как распространяется звук.

Доклад № 1 «Распространение звука» (приложение).

- Теперь послушаем о том, что такое шум и как с ним можно бороться.

Доклад № 2 «Шум и борьба с ним» (приложение).

Демонстрация различной проводимости веществ.

- Наше ухо воспринимает колебания от 20 до 20000 Гц. Колебания, лежащие за этими границами, нам не слышны, но их природа тождественна звукам, поэтому мы их тоже называем звуками.

Доклад № 3 «Неслышимые звуки» (приложение).

- Интерес к инфразвукам возник после одного загадочного происшествия.

В Марселе (Франция) рядом с  научным центром была построена небольшая фабрика. Вскоре после ее пуска  в одной из научных лабораторий обнаружили странные явления. Пробыв в ее помещении пару часов, исследователь становился абсолютно тупым: он с трудом решал даже несложную задачу. Раньше такие казусы не наблюдались.

И тут кто-то вспомнил о нашумевшем в прошлом театральном чуде. По ходу пьесы в лондонском театре «Лайрик» постановщику нужно было создать атмосферу таинственности и ужаса. Были перепробованы все известные тогда эффекты, однако требуемого результата они не дали. Случайно на репетиции присутствовал знаменитый американский физик Роберт Вуд. Он пообещал взять на себя заботу о создании соответствующего настроения актерам и зрителям, однако просил на время сохранить это в тайне.

Авторитет ученого был настолько велик, что его «декорацию» не стали репетировать. Ее смонтировали перед самым началом представления. Это была всего-навсего длинная широкая труба из жести, которую пристроили к театральному органу. В нужный момент по знаку режиссера органист заиграл. Но звука никто не услышал. «Полный провал», - чуть не закричал режиссер и схватился за голову. Неужели ученый ошибся в расчетах?

Но вот начали дрожать хрустальные подвески на древних светильниках. И все присутствующие на представлении почувствовали беспричинный страх. Более того, почему-то забеспокоились лошади у подъезда, и началась паника на улице. Тогдашний репортер (а об этом писали газеты) мог несколько сгустить краски, но в значительной мере его описание правдоподобно.

Не играл ли такой орган рядом с марсельской лабораторией? С этого и начали поиски секрета «заколдованного» помещения. Причины оказались на редкость прозаическими. В фабричной вентиляционной системе была поставлена вытяжная труба, которая случайно оказалась источником инфразвуковых колебаний. И так же случайно помещения в злополучной лаборатории оказались хорошим резонатором этих колебаний. Исправить положение, зная истинные причины, было нетрудно. Ученые и производственники остались добрыми соседями. (Эльшанский И.И. Законы природы служат людям. Книга для учащихся средн. и ст.классов. М., «Просвещение», 1978. С.104-105.)

- А теперь послушаем о том, как в нашей жизни нам помогают ультразвуки.

Доклад № 4 «Ультразвук  помощник человека» (приложение)

- Что такое эхо? Как оно образуется?

Доклад № 5 «Эхо» (приложение).

- Название «эхо» связано с именем горной нимфы Эхо, которая, согласно древнегреческой мифологии, была безответно влюблена  в Нарцисса. От тоски по возлюбленному Эхо высохла и окаменела. От нее остался только голос, способный повторять окончания произнесенных в ее присутствии слов.

- А теперь послушаем о совсем юной науке – психоакустике.

Доклад № 6 «Психоакустика» (приложение). Звучит «Колыбельная» Брамса.

- Достижения любой науки можно использовать как на пользу, так и во вред человечеству. В наше время наука должна быть нравственна. Звуком можно лечить, можно зомбировать, вызывая у человека определенные, нужные кому-то эмоции (применение акустических пушек в Тбилиси).

IV. Тест для самопроверки (приложение).

     V. – Ребята, надеюсь, что вы сегодня узнали много нового, и это вас побудит к дальнейшему самостоятельному изучению звуковых явлений.

Подводится итог урока. Оценки за урок.

VI. Д/з: § 47.

Приложение

Распространение звука

Где бы мы ни находились, что бы ни делали – нас всюду сопровождают различные звуки.

Звуковая волна может проходить самые различные расстояния. Орудийная стрельба слышна на 10-15 км, ржание лошадей и лай собак - на 2-3 км, а шепот -  всего на несколько метров. Эти звуки передаются по воздуху. Но проводником звука может быть не только воздух.

Приложите ухо к рельсам, и вы услышите шум приближающегося поезда значительно раньше. Значит, металл проводит звук лучше и быстрее, чем воздух. Давно замечено хорошее распространение звука и по земле. Перед Куликовской битвой князь Дмитрий Донской сам выехал на разведку в поле и, приложив ухо к земле, услышал конский топот приближающихся татарских полчищ. Бетховен, оглохнув, слушал игру на рояле, приставив к нему одним концом свою трость, другой конец которой он держал в зубах. Здесь проводником звука было дерево.

Вода тоже хорошо проводит звук. Нырнув в воду, можно отчетливо слышать, как стучат друг о друга камни, как шумит во время прибоя галька. Рыбы слышат шаги и голоса людей на берегу, это хорошо известно рыболовам. Свойство воды – хорошо проводить звук – широко используется для разведки в море во время войны, а так же для измерения морских глубин.

Для звука есть только одна преграда, и ее легко обнаружить. Если завести будильник и накрыть его колпаком, то звук будет слышен. Но если из-под колпака выкачать воздух, то звук исчезнет. Почему? Потому что звук не может передаваться через пустоту. Должна быть обязательно упругая среда. Звуковая волна – чередование сгущений и разряжений. А если нет среды, то, что будет сгущаться?

Важным событием в развитии акустики стало экспериментальное определение скорости звука. В воздухе скорость звука впервые была измерена А.Гумбольтом в 1822 г. В воде скорость звука была определена Колладоном и Штурмом в 1827г. на Женевском озере. В 1832 г. Жан Батист Био измерил скорость звука в твердом теле – чугунной трубе парижского водопровода.

По современным данным скорость звука в воздухе при нормальных условиях равна 331 м/с.

Шум и борьба с ним

По действию, производимому на нас, все звуки делятся на музыкальные звуки и шумы. Чем они отличаются друг от друга? Чистый музыкальный звук всегда имеет определенную частоту. Шум – это множество самых различных, одновременно несущихся звуков.

Шум (особенно громкий) вредно отражается на здоровье и трудоспособности людей. Продолжительное действие шума вызывает утомление. В природе громкие звуки редки. Звуки и шумы большой мощности поражают слуховой аппарат, нервные центры, могут вызвать болевые ощущения и шок. Так действует шумовое загрязнение. Тихий шелест листвы, журчание ручья, птичьи голоса, шум прибоя приятны человеку. Они успокаивают, снимают стресс.

Длительный шум неблагоприятно влияет на органы слуха, понижая чувствительность к звуку. Он приводит к расстройству деятельности сердца, печени, к истощению и перенапряжению нервных клеток.

Уровень шума измеряется в единицах, выражающих степень звукового давления – децибелах.  Шум в 130 децибел вызывает у человека болевые ощущения в ухе и даже чувствуется кожей.

Развивая технику, человек заменяет труд человека работой машин. А это влечет увеличения шума. Следовательно, открываются и новые пути борьбы с ним. Различные твердые тела проводят звук по-разному. Упругие тела – хорошие проводники звука, мягкие  и пористые тела – плохие проводники.

 Чтобы защитить какое-нибудь помещение от посторонних звуков, стены, пол и потолок покрывают прослойками из материалов, плохо проводящих звук (войлок, ковры, прессованная пробка, опилки, пористые камни). Моторы, машины закрываются оболочками, поглощающими звук. Телефонные будки обиваются прессованными плитками. Звуковые колебания, дойдя до таких прослоек, затухают в них. Энергия колебательного движения в таких телах превращается во внутреннюю энергию – тела нагреваются.

Но все же защититься от внешнего шума очень трудно.

Неслышимые звуки

Колебания с частотами ниже 20 Гц называются инфразвуками. Мы можем слышать инфразвуки, лежащие близко к нижней границе звука. Дело в том, что инфразвуки, как правило, сопровождаются слышимыми призвуками (обертонами). Родство таких инфразвуков со звуком ухо способно ощущать.

Инфразвуковые колебания легко возникают в длинных трубах. Например, 10-метровая труба органа дает основной тон частотой около 16 Гц. Звук этой трубы подобен раскату грома. Инфразвуки возникают в печных и фабричных трубах при топке.

Явления, близкие к инфразвуку, представляют собой колебания, возникающие при выстрелах и взрывах

Один из интереснейших видов инфразвуков – это “голос моря”. При шторме на море ветер возбуждает вихри, периодически срывающиеся на гребнях волн. Получающиеся при этом колебания воздушной струи распространяются вдаль в форме инфразвука и могут быть обнаружены на расстоянии в сотни километров. Поэтому различные морские жители, способные воспринимать «голос моря», - медузы, ракообразные, морские блохи, - задолго до наступления шторма чувствуют его приближение.

        Инфразвуковые волны с частотой 6-8 Гц способны вызвать у человека резонирование внутренних органов, ибо собственная частота тела примерно такая же. Все это может приводить к локальным разрушениям внутренних органов и к кровоизлияниям. Кроме этого, инфразвук действует и на человеческую психику, что приводит к необъяснимому беспокойству и истерике. Что-то подобное можно наблюдать, когда звучание низких часто музыкальных инструментов во время концертов резко меняет настроение слушателей.

Ультразвук – помощник человека

Механические колебания, происходящие с частотой более 20000 Гц, называются ультразвуковыми. Выяснилось, что их излучают и воспринимают живые существа для своих «переговоров». Собаки, например, воспринимают ультразвуки частотой до 40 кГц. Этим пользуются дрессировщики, чтобы подавать собаке команду, не слышимую людьми.

Ультразвуки находят широкое применение.

Жидкость “вскипает” при прохождении ультразвуковой волны. При этом возникает гидравлический удар. С помощью ультразвука можно смешать несмешивающиеся жидкости. Так готовятся эмульсии на масле.

При действии ультразвука происходит омыление жиров. На этом принципе устроены стиральные устройства.

Интересны биологические эффекты ультразвука. Ультразвуки ослабляют жизнедеятельность бактерий, уменьшают рост молочнокислых и туберкулезных бактерий.

Широко используется ультразвук в гидроакустике. Ультразвуки большой частоты поглощаются водой очень слабо и могут распространяться на десятки километров. Если они встречают на своем пути дно, айсберг или другое твердое тело, они отражаются и дают эхо большой мощности. На этом принципе устроен ультразвуковой эхолот.

В металле ультразвук распространяется практически без поглощения. Применяя метод ультразвуковой локации, можно обнаружить мельчайшие дефекты внутри детали большой толщины.

Ультразвук широко используется в медицине для постановки диагноза и лечения некоторых заболеваний. Диагностические ультразвуковые исследования (УЗИ) позволяют без хирургического вмешательства распознавать патологические изменения органов и тканей. Ультразвуковая терапия основана на том, что ультразвуковые волны определенных частот оказывают механическое, тепловое, физико-химическое воздействие на ткани, в результате чего в организме активизируются обменные процессы и реакции иммунитета.

Дробящее действие ультразвука применяют для изготовления ультразвуковых паяльников.

Эхо

Эхо – это звуковые волны, отраженные от какого – либо препятствия (зданий, холмов, леса т.п.) и возвратившиеся к своему источнику. Если до нас доходят звуковые волны, последовательно отразившиеся от нескольких препятствий и разделенные промежутком времени 50-60 мс, то возникает многократное эхо. Некоторые из таких эхо приобрели всемирную известность. Так, например, скалы, раскинутые в форме круга возле Адерсбаха в Чехии, в определенном месте повторяют 7 слогов, а в замке Вудсток в Англии эхо отчетливо повторяет 17 слогов.

Используется явление эхо и на кораблях и на подводных лодках. Посылая короткие импульсы ультразвука, можно уловить их отражения от дна или каких – либо предметов. По времени запаздывания отраженного сигнала можно судить о расстоянии до препятствия.

Создатели радиолокатора не думали, что многие технические задачи, с которыми им пришлось столкнуться, «решены» в природе миллионы лет назад. Оказывается, что между радиолокатором и крохотной летучей мышью есть нечто общее. Ночное видение у летучих мышей связано не с работой глаз, а с функцией ротовой полости. В полете мышь гортанью непрерывно излучает ультразвуковые импульсы, направленные только в сторону полета. Эти волны хорошо отражаются от совсем малых препятствий, что позволяет легко обнаружить добычу. При этом мыши сами часто становятся объектом охоты, т.к. совы слышат ультразвук.

Ориентация по отраженным звукам была открыта и у китообразных. Так, дельфины 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.

Психоакустика

Психоакустика – недавно возникший раздел изучения потенциала человека, цель которого научиться менять человеческое поведение, изучая влияние звука, речи и музыки на сознание.

Музыка может сильно влиять на работу мозга. Так, например, музыка с темпом 60 ударов в минуту на 6 % усиливает альфа-активность мозга (связанную с расслаблением), при этом на 6 % уменьшается бета-активность (связанная с нормальным бодрствующим сознанием). Пульс замедляется в среднем на 4 деления ртутного столбика, и люди говорят о «состоянии расслабленного сознания».

Тембр, тональность музыки, также оказывает сильное влияние на работу мозга.

Доктор Сью Чапмэн провела эксперимент в Городской больнице Нью-Йорка, изучая влияние музыки на младенцев, родившихся недоношенными. Одна группа младенцев слушала Колыбельную Брамса (вариацию для струнных инструментов) шесть раз в день, а другая группа (контрольная) не слушала никакой музыки. Новорожденные, слушавшие Брамса, быстрее набирали вес, меньше страдали от осложнений и были выписаны из больницы в среднем на неделю раньше тех, кто не слушал музыку.

Психоакустика – юная наука, и мы только сейчас начинаем понимать, с какой точностью звуковые формы могут влиять на клеточные процессы в мозге.

Звуковые волны. Звук.

1. Условием возбуждения звуковой волны является:

1) наличие источника колебаний;

2) наличие упругой среды.

а) только 1

б) только 2

в) 1 и 2.

2. Ультразвуковыми называются колебания, частота которых…

а) менее 20 Гц.

б) от 20 до 20000 Гц.

в) превышает 20000 Гц.

3. Высота звука зависит от…

а) амплитуды колебаний.

б) частоты колебаний.

в) скорости звука.

4. Громкость звука зависит от …

а) частоты звука.

б) амплитуды колебаний.

в) скорости звука.

5. «Голос моря» - звуковые колебания частотой…

а) менее 20 Гц.

б) от 20 до 20000 Гц.

в) превышает 20000 Гц.

6. Скорость звука в воздухе при нормальных условиях:

а) 300000 км/с.

б) 360 м/с.

в) 331 м/с.

7. Какие из перечисленных ниже веществ хорошо проводят звук?

а) войлок.

б) опилки.

в) металлы.