Учитель. Мы
живем в мире звуков, которые позволяют нам
получать информацию о том, что происходит вокруг.
Материал о звуковых волнах можно изложить интересно, используя художественную литературу. Такой урок я провожу в классе гуманитарного профиля. Ребята с удовольствием читают стихи, приводят примеры из художественной литературы. Я делаю это не в 9-м классе, как того требует стандартная программа, а именно в 11-м классе, потому что в нашей школе тема «Механические колебания. Волны. Звук» перенесена – с целью более логичного перехода к изучению темы «Электромагнитные колебания и волны». Кроме того, только к этому времени ребята получают достаточную математическую подготовку.
Цели урока: познакомиться с природой звука, его основными характеристиками и видами (музыкальные звуки, шум); продолжить формирование умения выявлять причинно-следственные связи.
Оборудование: звуковой генератор, камертоны, осциллограф, плакаты с рисунками на музыкальную тему, громкоговоритель, видеофильм «Звук», пластинки с грамзаписями голосов Ф.И.Шаляпина, Робертино Лоретти, органной музыкой, ростовскими звонами.
Ход урока
Учитель. На прошлых занятиях мы начали изучать механические волны, чтобы в дальнейшем познакомиться с электромагнитными волнами. Хотя они имеют разные названия, различную физическую природу, но описываются одними и теми же параметрами и уравнениями. Сегодня мы познакомимся с еще одним видом механических волн. Их название вы запишете после того, как решите логическую задачу (метод решения таких задач называется «мозговым штурмом»).
У англичан есть сказка: «Черт поймал трех путников и согласился отпустить их, если они зададут ему невыполнимую задачу. Один попросил сделать растущее дерево золотым, другой – заставить реку потечь вспять. Черт шутя справился с этим и забрал себе души обоих путников. Остался третий путник...» Ребята, поставьте себя на место этого путника и предложите черту невыполнимую задачу. (Предлагаются разные версии.) «...А третий свистнул и сказал: “Пришей к этому пуговицу!” – и черт был посрамлен».
Что же такое свист?
Учащиеся. Звук. (Записывается тема урока и формулируется первый обсуждаемый вопрос.)
1. Природа звука. Условия, необходимые для существования звука
Учитель. Мы
живем в мире звуков, которые позволяют нам
получать информацию о том, что происходит вокруг.
Пытаются шептать клочки афиш,
Пытается кричать железо крыш,
И в трубах петь пытается вода,
И так мычат бессильно провода...
К.Я.Ваншенкин
Звуковые волны переносят энергию, которая, как и другие виды энергии, может использоваться человеком. Но главное – это огромный диапазон выразительных средств, которыми обладают речь и музыка. Еще с древних времен звуки служили людям средством связи и общения друг с другом, средством познания мира и овладения тайнами природы. Звуки – наши неизменные спутники. Они по-разному действуют на человека: радуют и раздражают, умиротворяют и придают силы, ласкают слух и пугают своей неожиданностью. (Включается грамзапись «Ростовских звонов».)
Прозвучали знаменитые звоны четырехарочной звонницы, сооруженной в 1682–1687 гг. в городе Ростове Великом, городе славы прошлого. Ростовские звоны исполняются пятью звонарями, причем язык самого большого колокола «Сысоя» раскачивают два человека. Тринадцать колоколов расположены в ряд. Звонари становятся так, чтобы видеть друг друга и соглашаться в такте.
С глубокой древности колокольный звон сопутствовал жизни народа. Своими звонами издавна славились Великий Новгород, Псков, Москва, но такого «оркестра», как в Ростове, не было нигде. Что же является причиной звука? Посмотрим опыты.
Опыт 1. Демонстрируется звук, издаваемый камертоном.
Опыт 2. Демонстрируется звук, издаваемый вращающейся на нитке линейкой.
Причиной всех звуков является вибрация (колебания) тел, хотя обычно такие колебания незаметны. А что является источником звука в наших опытах?
Да, колебания вилки камертона в первом случае и линейки – во втором. Источники звука бывают разные. Например, музыка звучит из радиоприемника благодаря колебаниям диффузора громкоговорителя; речь и пение обусловлены колебаниями голосовых связок; колокольный звон вызван колебаниями юбки колокола при ударе о нее языка, автомобильную катастрофу сопровождает немузыкальный звук – скрежет – вследствие беспорядочных колебаний кузовов столкнувшихся автомобилей под действием удара.
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. Раздел физики, в котором рассматриваются свойства звуковых волн, закономерности их возбуждения, распространения и действия на препятствия, называется акустикой.
Звуковые волны являются в основном продольными, т.е. это чередование сгущений и разрежений. Скорость распространения звуковой волны зависит от свойств среды. Например, в воздухе звуковая волна распространяется со скоростью 330–340 м/с.
Выясним, в каком диапазоне частот наше ухо воспринимает звук.
Опыт 3. С помощью звукового генератора демонстрируется полоса звуковых частот, находятся частоты (16 Гц–20 000 Гц), которые воспринимает человеческое ухо.
Звуковые волны частотой от 16 Гц до 20 000 Гц воздействуют на органы слуха человека, вызывая слуховые ощущения. Они называются слышимым звуком. Звуковые волны частотой менее 16 Гц называются инфразвуком, а частотой от 2 • 104 Гц до 1013 Гц – ультразвуком. Ультразвук частотой 109 Гц и выше называется гиперзвуком. Итак, чтобы услышать звук, необходимы:
Звуки дают нам много информации об окружающем мире. Особенно это важно для людей, лишенных зрения.
(Учащийся читает стихотворение из книги М.И.Блудова «Беседы о физике» [М.: Просвещение, 1965, с. 107.]:
Думают иные – те, кто ясно видят
Звезды, солнце, радугу, луну:
Как она без зренья красоту опишет,
Как поймет без глаз и звуки, и весну?Я услышу запах и росы прохладу,
Легкий шелест листьев я ловлю,
Утопая в сумрак, я пойду по саду
И мечтать готова, и сказать: люблю...Пусть я вовсе не имею зренья,
Но имею больше – чувств живых простор:
Слухом и послушным вдохновеньем
Я соткала жизненный узор...)
Звук можно не только услышать, но и «увидеть».
Опыт 4. Демонстрация колебаний камертона (через микрофон) на осциллографе.
Какие же характеристики имеет звук?
2. Громкость и высота звука
Учитель. [Громкость звука – это субъективная характеристика, которая зависит от частоты колебаний и чувствительности человеческого уха. – ФЭС.] 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.
Мы знаем, что энергия, переносимая волнами, прямо пропорциональна квадрату частоты и квадрату амплитуды:
W ~ w2 • A2.
Следовательно, и интенсивность звука пропорциональна квадрату частоты и квадрату амплитуды колебаний в звуковой волне и обратно пропорциональна площади тела, совершающего колебания, и времени воздействия.
Опыт 5. Демонстрация на осциллографе (с использованием громкоговорителя): изменение амплитуды звуковой волны с изменением громкости.
Итак, 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. – Ред.]
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.
Опыт 6. 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:
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.
Опыт 7. Демонстрация осциллограмм тембра голосов учащихся на экране осциллографа.
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.
3. Музыкальные звуки и шумы
(Включается грамзапись. Звучит фрагмент органной музыки. На фоне музыки читается отрывок стихотворения:
Есть где-то в мире Бах и власть
Высокой музыки над сором.
Органа ледяная страсть
Колючим восстает собором.Д.Соматлов)
Звуки, издаваемые камертоном или другими гармонически колеблющимися телами, называются музыкальными. Такие звуки издают различные музыкальные инструменты. Например, орган, скрипка, гитара, труба и т.п. Скрипку называют «принцессой оркестра» (на фоне скрипичной музыки учащийся читает стихотворение «Смычок и струны» И.Ф.Аненского.)
Какой тяжелый, темный бред!
Как эти выси мутно-лунны!
Касаться скрипки столько лет
И не узнать при свете струны!Кому ж нас надо? Кто зажег
Два желтых лика, два унылых...
И вдруг почувствовал смычок,
Что кто-то взял и кто-то слил их.О как давно! Сквозь эту тьму
Скажи одно: ты та ли, та ли?
И струны ластились к нему,
Звеня, но ластясь, трепетали:«Не правда ль, больше никогда
Мы не расстанемся? Довольно?..»
И скрипка отвечала: «Да», –
Но сердцу скрипки было больно...
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 музыкальных произведений используются 7–8 октав. Звуки частотой более 3000 Гц в качестве музыкальных тонов не используются, они слишком резки и пронзительны.
От звучащего музыкального инструмента волна распространяется во все стороны, и на расстоянии от него громкость звука, естественно, уменьшается. Для усиления звука служит корпус музыкального инструмента. (Учащийся рассказывает кратко об одном из инструментов и демонстрирует игру на нем.) Эти корпуса играют роль резонаторных ящиков. (Учащиеся вспоминают, что называется резонансом.)
Опыт 8. Демонстрация звукового резонанса двух камертонов.
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.).
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
Такое раздражающее действие шума наносит человеку такой же вред, как ослепительный свет, ядовитый газ, ожог.
Подведение итогов урока
(Просмотр видеофильма «Звук».)
Учитель. Сегодня на уроке мы познакомились с физической природой звука, его основными характеристиками, с музыкальными звуками и шумами. На следующих занятиях поговорим об определении скорости звука в разных средах, об ультразвуке, инфразвуке и их применении.
А теперь для закрепления:
Прозвучало над ясной рекою,
Прозвенело в померкшем лугу,
Прокатилось над рощей немою,
Засветилось на том берегу.А.А.Фет
(Ответ. Раскаты грома, молния);
И в заключение я хочу сказать, что физика – это наука о природе, о закономерностях наиболее общих форм движения материи.
Не то, что мните вы, природа:
Не слепок, не бездушный лик –
В ней есть душа, в ней есть свобода,
В ней есть любовь, в ней есть язык.Ф.И.Тютчев
Блажен тот, кто явственно узрел
Хотя бы скорлупу природы.И.-В.Гете
И урок заканчивается.
Жданов А.С. Учебник по физике для средних специальных учебных заведений. – М.: Наука, 1975.
Иванов С. Абсолютное зеркало. – М.: Знание, 1977.
Ланина И.Я. Не уроком единым. Развитие интереса к физике. – М.: Просвещение, 1991.
Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика-11. – М.: Просвещение, 1989.
Пинский А.А., Разумовский В.Г. Физика и астрономия-9. – М.: Просвещение, 1999.
Тихомирова С.А. Мир физики в художественной литературе. – М.: Школа-Пресс, 1997.
Хорбенко И.Г. Звук. Ультразвук. Инфразвук. – М.: Знание, 1986.
Яворский Б.М., Селезнев Ю.А. Справочное руководство по физике. Для поступающих в вузы и для самообразования. – М.: Наука, 1989.
.