Урок-путешествие в 9-м классе по теме Механические колебания и волны

Цели урока:

  • Образовательные: обобщить и
    систематизировать полученные знания по теме
    «Звуковые волны», изучение практической
    направленности полученных знаний.
  • Развивающие: развивать умение выделять
    главное, сравнивать изучаемые факты; логически
    излагать мысли, развивать творческую активность
    учащихся.
  • Воспитательные: развивать интерес к
    изучаемому материалу, способствовать
    формированию коммуникативных качеств, бережного
    отношения к своему здоровью, способствовать
    формированию научного мировоззрения.

Технические и программные средства
обучения:
персональный компьютер,
мультимедийный проектор, программа Smart Notebook,
интерактивная доска, демонстрационное
оборудование, магнитофон, проигрыватель.

Подготовительный этап. Задолго до
урока учащиеся получают задания по
изготовлению самодельных музыкальных
инструментов: арфы, цитры, флейты, треугольника,
ударных инструментов из бутылок, а также темы
сообщений.

ХОД УРОКА

В начале урока звучат звуки природы.

Мир звуков так многообразен,
Богат, красив, разнообразен,
Но всех нас мучает вопрос…
Откуда звуки возникают,
Что слух нас всюду услаждают
Пора задуматься всерьез.

Учитель. Сегодня мы отправляемся в
необычное путешествие, целью которого является
выяснение, что такое звук? Чем отличаются
различные звуки? Как его можно получить? По пути
нас ожидают следующие остановки: теоретическая,
историческая, музыкальная, биологическая,
литературная, занимательная (Приложение,
слайд 1).

Остановка теоретическая

Звуковыми волнами, в широком смысле этого
слова, называют упругие волны,
распространяющиеся в сплошных средах. Ту часть
звуковых волн, которая воспринимается
человеческим ухом (16 – 20000 Гц), обычно называют
звуком (Приложение,
слайд 2). В повседневной жизни это чаще всего
волны, распространяющиеся в воздухе. Однако звук
распространяется и в других упругих средах:
земле, металлах и т.д. Погрузившись с головой в
воду, можно издали отчетливо слышать стук
двигателя приближающегося катера. Общеизвестно
обнаружение по звуку в воде надводных кораблей и
подводных лодок. При осаде в крепостных стенах
помещали «слухачей», которые следили за
земляными работами противника. Иногда это были
слепцы, у которых особенно обострен слух. По
звукам, передающимся в Земле, был, например,
своевременно обнаружен подкоп врага к стенам
Загорского монастыря. Распространение волн в
металлах наглядно видно на примере звуков,
передающихся по рельсам или водопроводным
трубам.
Звуковые волны частотой от 16 Гц до 20000 Гц
воздействуют на органы слуха человека, вызывая
слуховые ощущения. Они называются слышимым
звуком. Звуковые волны частотой менее 16 Гц
называются инфразвуком, а частотой от 20000 Гц до 1013
Гц – ультразвуком. Ультразвук частотой 109 Гц и
выше называется гиперзвуком.

Чтобы услышать звук необходимо:

  • Источник звука;
  • Упругая среда между ним и ухом;
  • Определенный диапазон частот колебаний
    источника звука;
  • Достаточная для восприятия ухом мощность
    звуковых волн.

Характеристики звука (Приложение,
слайд 3):

  • Субъективные: громкость, высота, тембр.
  • Объективные физические характеристики звука:
    интенсивность (сила), звуковое давление и состав
    (спектр).

Опыт 1. Демонстрация на осциллографе
изменения звуковой волны с изменением громкости.

Наиболее чувствительны наши органы слуха к
частотам в диапазоне от 700 до 6000 Гц. За единицу
громкости звука принят бел (в честь Александра
Грэхема Белла, изобретателя телефона). На
практике громкость измеряют в децибелах (1 дБ = 0,1
Б) (Приложение, слайд 4)

10 дБ – шепот;
20-30 дБ – норма шума в жилых помещениях;
40 дБ – тихий разговор;
50 дБ – разговор средней громкости, тихая улица;
70 дБ – шум пишущей машинки, уличный шум;
80 дБ – шум работающего двигателя грузового
автомобиля (опасный уровень);
100 дБ – мотоцикл, поезд метро;
120 дБ – шум работающего трактора на расстоянии 1 м
(порог болевого ощущения);
150 дБ – реактивный самолет;
180 дБ – смертельный уровень (разрыв барабанной
перепонки);
200 дБ – шумовое оружие.

Звук, издаваемый телом, которое колеблется с
одной, строго определенной частотой, называется тоном.
Например, летящий комар издает звук высокого
тона (делает крылышками 500-600 взмахов с секунду), а
шмель – звук низкого тона (в среднем 220 раз в
секунду) (Приложение,
слайд 5 или просмотр флеш-анимации при
использовании программы Smart Notebook).

Опыт 2. Демонстрация на осциллографе
зависимости высоты тона от частоты колебаний
(прослушивание звука различных частот с помощью
звукового генератора).
Наинизший из слышимых человеком музыкальных
звуков имеет частоту 16 колебаний в секунду. Он
извлекается органом. Но применяется нечасто –
слишком уж басовит. Разобрать и понять его
трудно.
Звуки человеческого голоса делят на несколько
диапазонов (Приложение,
слайд 6):

  • Бас – 80-350 Гц, абсолютно «нижний» рекорд
    мужского баса был поставлен в 18 в. певцом
    Каспаром Феспером. В наши дни такой звук брал
    английский певец Норманн Аллин (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. Звуковой диапозон полон
    музыкой. Эти звуки самые слышные (запись голоса
    Р.Лоретти).
  • Сопрано – 260-1050Гц (фрагмент записи
    Г.П.Вишневской).
  • Колоратурное сопрано – до 1400 Гц. Француженка
    Мадо Робен (умерла в 1960 г.) пела полным голосом
    «ре» четвертой октавы – 2300Гц.

Звуки с частотой выше 3000 Гц в
качестве самостоятельный музыкальных тонов не
используются, т.к. слишком резки и пронзительны.

Опыт 3. Просмотр осциллограмм
различных музыкальных исполнителей. Сравнение
тембра.
Кроме громкости и высоты тона, музыкальные звуки
характеризуются еще одним важным понятием – тембром
звука. Получить чистый звук со строго
определенной частотой колебаний, даже при полном
отсутствии посторонних шумов, очень трудно, и вот
почему. Любое колеблющееся тело издает не
только один основной звук. Его постоянно
сопровождают звуки других частот. Эти «спутники»
всегда выше основного звука и называются обертонами,
т. е. верхними тонами. Именно они и позволяют нам
отличать звук одного инструмента от другого и
голоса различных людей, если даже они равны по
высоте. Каждому звуку обертоны придают
своеобразную окраску, или, как говорят, тембр.
Если основной звук сопровождается близкими ему
по высоте обертонами, то сам звук кажется мягким,
«бархатным». Когда же обертоны значительно выше
основного тона, мы говорим о неприятном
«металлическом» голосе или звуке.

Остановка историческая.

Механическая запись звука изобретена Эдисоном,
изготовившим в 1877 г. прибор, названный фонографом
(Приложение, слайд 7).
Его основные части – валик, покрытый оловянным
листом, и мембрана с иголкой. При вращении валика
мембрана, приводимая в движение звуковыми
колебаниями, например человеческого голоса, с
помощью иглы вычерчивала на оловянном листе
борозды различной глубины. Это так называемая
глубинная запись.
Для воспроизведения звука, установив иглу в
начало канавки, валик вращали еще раз. Неровности
канавки приводили в колебание иглу и связанную с
ней мембрану, которая издавала «записанные»
звуки. Это изобретение буквально поразило
современников. Сам Эдисон писал, что, когда он и
его помощник впервые услышали голос первого
фонографа, помощник чуть не упал со страха, а ему
стало жутко.

Опыт 4. Сделать рупор из ватмана, к
концу прикрепить обычную швейную иглу и опустить
её на борозду вращающейся пластинки. Пластинку
привести во вращение на центробежной машине или
на проигрывателе. Звук становится слышимым на
большем расстоянии, т.к. его энергия рассеивается
меньше. Громкость зависит от размера рупора: чем
больше рупор, тем громче звук. Человеческое ухо
также является рупором, воспринимающем звук.

Согласно легенде, Пифагор все музыкальные
звуки расположил в ряд, разбив этот ряд на части
– октавы, а октаву – на 12 частей (7 основных тонов
и 5 полутонов). Всего насчитывается 10 октав,
обычно при исполнении используются 7-8 октав.
Звуки частотой более 3000 Гц в качестве
музыкальных тонов не используются, они слишком
резки и пронзительны.

Остановка музыкальная (Приложение,
слайд 8).

Учитель. Сейчас я прочитаю вам отрывок
из рассказа В. Бианки «Музыкант»: «Старик
подкрался из-за елочки и видит: на опушке
разбитое грозою дерево, из него торчат длинные
щепки, а под деревом сидит медведь, схватил одну
щепку лапой. Медведь потянул к себе щепу и
отпустил её. Щепка выпрямилась, задрожала и в
воздухе раздалось: «Дзинь!» – как струна
пропела… Замолк звук, медведь опять за свое:
оттянул щепку и отпустил ..»

Какие музыкальные инструменты устроены
подобным образом? (Струнные инструменты:
скрипка, балалайка, гитара, цитра, арфа)

Демонстрация. Демонстрируется
самодельная арфа. На картонную или пластмассовую
коробку с не проминающимися краями надеваем
кольцевые резинки (чем туже они натянуты, тем
выше звук). Перебирая резинки, как струны, слушаем
мелодию.

Демонстрируется самодельная цитра.
Это ящик со струнами, натянутыми на колки,
которые укреплены на раме. Звук извлекается
щипком – пальцем или медиатором.

Опыт 5. Для опыта потребуется две
пробирки: длинная и короткая. Дуем в них и тем
самым доказываем, что высота тона зависит от
объема воздуха: пробирка меньшего объема дает
более высокий тон.

Какие музыкальные инструменты построены по
такому принципу? (Духовые – орган, флейта,
саксофон, симона, тромбон)

Демонстрируется самодельная флейта.
Вставить в пробку вязальную спицу и поместить
эту конструкцию в картонную трубку. Чтобы
получить звук необходимо дуть вдоль края трубки
и одновременно перемещать спицу вверх-вниз.

Опыт 6. Несколько бутылок поставить
в ряд (или подвешать), наполняя водой до разного
уровня: первая бутылка – пустая, последующие
заполнять по нарастающей, а последнюю наполнить
водой полностью. Играем на таком инструменте
палочками (можно ложками).

Какие музыкальные инструменты построены по
такому принципу? (Ударные инструменты – бубны,
барабаны, треугольник, румбы)

Демонстрируется самодельный треугольник
– металлический прут, согнутый в форме
незамкнутого треугольника. Звук вызывается
легким ударом металлической палочки по одной из
его сторон. Получается высокий, чистый, звук.

Остановка биологическая.

Учитель. Ощущение звука возникает при
воздействии на органы слуха волн,
распространяющихся в воздухе или других средах.
Естественным приемником звуковых волн является
ухо (Приложение, слайд
9).

Сообщение учащихся.

Орган слуха подразделяется на три части:
наружное а, среднее б и внутреннее ухо в. Звуковые
волны по слуховому каналу наружного уха попадают
на барабанную перепонку и приводят её в
колебательное движение. Эти колебания с помощью
трех слуховых косточек среднего ухо передаются
во внутреннее ухо, которое является самой
существенной частью органа слуха. Оно состоит из
преддверия с тремя полукружными каналами и
улитки. В улитке находится до 10000 волокон
(волосковые клетки), или кортиевых струн.
Различной длины, которые можно уподобить
настроенным определенным образом струнам
пианино.
То или иное волокно отзывается на определенный
различаемый слухом тон, подобно тому, как струна
пианино вследствие резонанса отзывается на звук
определенной частоты.
Чувствительность уха к высоте звука меняется с
возрастом: в детстве мы слышим высокочастотные
звуки лучше, чем в зрелом возрасте. Звуковая
волна создает разность давлений в канале и
среднем ухе. Первичная информация, связанная с
деформацией перепонки, преобразуется в
электрические сигналы, анализируемые
определенным участком головного мозга. Приборы,
с помощью которых можно до известной степени
компенсировать потерю слуха, были известны много
веков назад. По свидетельству римского врача
Галена, во II веке до нашей эры философ Архиген
предложил и успешно применял при тугоухости
особые серебряные рожки. Узкий конец такого
рожка вставлялся в ушную раковину, широкий –
собирал звуки с относительно большой площади.
Слуховые аппараты в том виде, в каком они
существуют сегодня, существуют благодаря двум
известным изобретателям: Александру Беллу
(изобретателю телефона) и Томасу Эдисону.

Некоторым людям свойственны цветоощущения –
прослушивание мелодий порождает цветовые
образы. Из композиторов, обладавших «цветным
слухом», можно назвать А.Н.Скрябина и
Н.А.Римского-Корсакова. Они видели зрительные
образы, сочиняя музыку.

Остановка литературная.

Отгадайте загадки (Приложение,
слайд 10):

  • Живой бьет по мертвому, а тот все вопит и вопит
    (колокол)
  • Живет без тела, говорит без языка, никто его не
    видит, а всякий слышит (эхо)
  • По морю идет, а как на берег выползет, тут и
    пропадет (волна)

Объясните пословицы и поговорки.

  • Как аукнется, так и откликнется.
  • Слово – не воробей, вылетит – не поймаешь.
  • Слышал звон, да не знаешь где он.
  • Собака лает – ветер уносит.
  • Всякая сосна своему бору шумит.
  • Слухом земля полнится.
  • Пустая бочка пуще гремит.
  • Шумит дубравушка к погодушке.

Объясните явление.

  1. Л. Н. Толстой. Рассказ аэронавта.

Герой рассказа поднялся на воздушном шаре.
«Весело и легко было дышать и хотелось петь. Я
запел, но голос мой был такой слабый, что я
удивился и испугался своему голосу».
Объясните явление.

  1. Р. Роллан. Жизнь Бетховена.

«Он (Бетховен) пользовался деревянной палочкой,
один конец которой он клал в корпус фортепьяно, а
другой держал в зубах. Он прибегал к этому
приспособлению, чтобы лучше слышать, когда
сочинял».
Объясните, почему палочка помогала
композитору лучше слышать.

  1. К.Г.Паустовский. Корзина с еловыми шишками.

«…Ковры, портьеры и мягкую мебель, – Григ давно
убрал из дома. Остался только старый диван. На нем
могло разместиться до десятка гостей, и Григ не
решался его выбросить».
С какой целью композитор Григ убрал ковры, мягкую
мебель из дома?

Остановка занимательная (Приложение,
слайд 11).

Сообщение 1. Обычно самому человеку
его голос при воспроизведении записи с
магнитофона кажется чужим. Кости черепа тоже
хорошо проводят звук. Разговаривая, мы слышим не
только те звуки, которые слышат окружающие, но и
низкочастотную составляющую звука голоса,
которая дошла до вас через кости черепа. Однако,
слушая магнитофонную запись собственного
голоса, мы слышите только то, что можно было
записать, — звуки, проводником которых является
воздух. Что такое костная проводимость? Если
кончиками пальцев заткнуть уши и начать
разговаривать или жевать, то звуки, которые мы
при этом слышим, преимущественно низкочастотные
звуки, дошедшие до внутреннего уха благодаря
костной проводимости. Колебания воздуха,
возникающие в полости рта, передаются нижней
челюсти и достигают внутреннего уха.

Сообщение 2. В крупных городах свыше 60%
населения жалуются на чрезмерный шум. Под
резкими постоянными ударами звуковых волн
барабанная перепонка колеблется с большой
амплитудой. Из-за этого постепенно теряется
её эластичность, слух притупляется. Через орган
слуха шум действует на центральную нервную
систему и может вызвать разнообразные нарушения
– физиологические (усиление сердцебиения,
повышенное давление) и психическое (ослабление
внимания, нервозность). Длительное воздействие
шума является одним из факторов, способствующих
развитию язв и даже инфекционных заболеваний.
Самый громкий шум, полученный в лабораторных
условиях, был равен 210 дБ, сообщило агентство
НАСА. Он был получен за счёт отражения звука
железобетонным испытательным стендом размером
14,63 м и фундаментом глубиной 18,3 м,
предназначенным для испытаний ракеты «Сатурн V»,
в Центре космических полётов им. Маршалла,
Хантсвилл, штат Алабама, США, в октябре 1965 г. Шум
был слышен в пределах 161 км.

Сообщение 3. Абсолютная тишина пугает
и угнетает человека. Недаром космонавты считают
одним из самых тяжелых испытаний пребывание в
сурдокамере. Там начинают беспокоить удары
сердца, пульс, дыхание и даже шорох ресниц. Это
обычно неслышимые звуки в обычных условиях в
условиях абсолютной тишины воспринимаются
человеком как столь интенсивные, что могут стать
причиной серьезных психических расстройств.
Самое тихое место – «Мёртвая комната», размером
10,67 х 8,5 м в Лаборатории концерна «Белл телефон
систем», Марри-Хилл, штат Нью-Джерси, США,
является самой звукопоглощающей комнатой в мире,
в которой исчезает 99,98% отражаемого звука

Сообщение
4.
В Пекине рядом с храмом Неба –
знаменитым историческим памятником – находится
«чудесная» каменная стена, представляющая собой
почти замкнутый цилиндр: звуки, произнесенные
тихим голосом в одном направлений вдоль стены,
спустя некоторое время возвращаются к
говорящему. При этом создается впечатление, что
кто-то невидимый за спиной произносит те же звуки
твоим же голосом.
Современное объяснение эффекта дал Рэлей более
ста лет тому назад. Он основывался на собственных
наблюдениях, сделанных в старинной галерее,
находящейся под куполом собора Святого Павла в
Лондоне. Отсюда и название этих волн – волны
шепчущей галереи. До Рэлея эффект приписывался
отражению звуковых «лучей» от поверхности
вблизи вершины купола. Однако Рэлей заметил, что
помимо этого эффекта существует еще один: звук
как бы «цепляется» за поверхность стены и
«ползет» вдоль неё. Происходит при этом
следующее. При скользящем угле падания луч снова
падает на стенку, вторично отражаясь и т. д. В
результате лучи, распространяются под малыми
углами, обходят всю стенку, постепенно затухая.
Свое объяснение Рэлей подтвердил прямыми
экспериментами, используя свисток как источник
звука и горящую свечу как приемник.
На территории России также имеются галереи,
часовни и т.д., в которых распространятся
«шепчущие» волны.

Сообщение 5. Строители
средневековых замков нередко создавали такие
звуковые курьезы, помещая бюсты либо в фокусе
вогнутого звукового зеркала, либо у конца
говорной трубы, искусно скрытой в стене.

На рисунке можно видеть эти хитроумные
приспособления: потолок в форме свода направляет
к губам бюста звуки, приносимые извне говорной
трубой; огромные говорные трубы, замурованные в
здании, приносят разнообразные звуки со двора к
каменным бюстам, размещенным у стен одной из зал.
Посетителю такой галереи казалось, что мраморные
бюсты шепчут, напевают и т.п.

Учитель. Заканчивается наше
путешествие. Надеюсь, что знания, полученные
сегодня, помогут вам по-другому взглянуть на
окружающий нас мир звуков. Вновь звучат звуки
природы и на этом фоне читаются стихи.

О, Звук! Спустившийся извне,
Ведомый в таинствах Вселенной,
Способен ты звучать во мне,
Своею силою нетленной.
Томишь мою ты душу вновь,
Пространство, музыкой целя,
Царицу вечности, Любовь,
Поёшь, как изумруд храня.
Ты в тихо шепчущей листве,
Ты в синих волнах океана,
В метели, песне и дожде,
В раскатах грозных урагана.
Ты сердцем можешь говорить,
Объединять души созвучья,
Так дай мне силы так творить,
Чтоб был услышан глас беззвучный.
Чтоб с трепетом, душой безгласной
Твою вибрацию испить,
И звуком музыки прекрасной
Все раны сердца исцелить.

Татьяна Шамбурская

Домашнее задание. Повторить §34-40.
Написать краткое эссе «Мир без звуков». По
желанию изготовить самодельную сирену или
телефон (спичечные коробки, нитки).

Литература.

  1. Гончарова Л.И., Белов А.В. Физика в
    музыке.//Физика – 2004. – №9.– с.5-8.
  2. Перельман Я.И. Занимательная физика. Кн.1.–
    М.: Триада-литера, 1994.
  3. Перышкин А.В., Гутник Е.М. Физика. 9 класс. –
    М.: Дрофа, 2007.
  4. Петров Г.Н., Петров В.Н. Тайны звука. //Физика.
    – 2003. – №15. – с.25-28.
  5. Орехов В.П. Колебания и волны в курсе физики
    средней школы. – М.: Просвещение, 1977.
  6. Тихомирова С.А. Дидактический материал по
    физике: Физика в худож. лит. – М.: Просвещение, 1996.
  7. http://class-fizika.narod.ru/

Следующий: