А.И.СЁМКЕ, школа № 11, г. Ейск, Краснодарский кр.
Изучение слухового аппарата человека
Урокэксперимент. 9-й класс, естественнонаучный профиль
Цели урока
– Образовательная: знакомство со строением уха, слуховым аппаратом человека; продолжение работы по формированию навыков учащихся работать в группе, анализировать источники информации, выполнять эксперимент; закрепление знаний и умений составлять задачи по теме и решать их.
– Воспитательная: воспитание мировоззренческих понятий (причинно-следственные связи в окружающем мире, познаваемость окружающего мира и человечества); нравственное воспитание – любви к природе, чувства товарищеской взаимовыручки, этики групповой работы.
– Развивающая: развитие навыков и умений классифицировать и обобщать, составлять схемы, формулировать выводы по изученному материалу; развитие самостоятельности мышления и интеллекта, грамотной устной речи, навыков практической работы.
Оборудование: схемы, фотографии, видеофильм или презентация «Изучение слухового аппарата человека», телевизор (мультимедийный проектор), компьютеры с выходом в интернет, другие источники информации, презентация, видеоролик.
Ход урока
I. Организационный этап (1–2 мин). В кабинете парты расставлены для работы в группах по 3–4 учащихся. Учитель объясняет цели и задачи урока. Формируются группы (по желанию), раздаётся рабочий материал. Каждая группа имеет компьютер с выходом в интернет. В течение заданного времени группа готовит тексты мини-рассказов (докладов) по различным источникам информации (библиотечные ресурсы, электронные учебники, интернет, видеотека, мультимедийные источники информации), иллюстрирует их слайдами, схемами, картинками.
II. Активизация мыслительной деятельности (5 мин)
ФИЗИЧЕСКИЙ СЛОВАРИК (Из словаря В.Даля.)
Вокальный. Заимствовано в начале XVIII в. из французского языка: vocal – гласный, голосовой, звучащий.
В унисон (в один голос). Возникло в XIX в. в результате сращения в одно слово, заимствованного из итальянского языка, где unus – один, sonus – звук, голос.
Слух. Общеславянское. Образовано с помощью суффикса -х- от того же корня, что и слово слыть.
О ком идёт речь?
Огромный вклад Х сделал для изучения слуха и уха (физиологическая акустика). В 1863 г. вышла его книга «Учение о звуковых ощущениях как физиологическая основа акустики». Создав теорию резонанса, он создал затем на её основе учение о слуховых ощущениях, о нашем голосе, о музыкальных инструментах. Изучая явление колебаний, Х разработал и ряд вопросов, имеющих огромное значение для теории музыки, дал анализ причин музыкальной гармонии.
(Ответ. Г.Гельмгольц.)
Решение задач (в группах)
По пословицам, поговоркам и загадкам:
1. На небе стукнет – на земле слышно.
? Почему мы слышим звук от молнии? (Ответ. Звук может распространятся только в упругих средах. Воздух является такой средой, и следовательно, после вспышки молнии мы слышим гром.)
2. Живёт без тепла, говорит без языка, плачет без души, смеётся без радости.
? Объясните это явление. (Ответ. Это эхо, отражение звука от преграды.)
3. Никто его не видит, а всяк слышит. (См. выше.)
4. Что стучит без рук? (Ответ. Гром.)
? Что является источником грома? (Ответ. Источником звука является электрический разряд, который мгновенно разогревает воздух, и он расширяется.)
5. У тебя голосок, что бабий волосок, – тонок да долог.
? Какими параметрами характеризуется звук? Что можно сказать о характеристиках голоса из пословицы? (Ответ. Звук мы характеризуем высотой (частотой), громкостью (амплитудой), тембром (частотной окраской). В пословице говорится о звуке достаточно большой частоты.)
По художественным произведениям
1. ...В колокол медный//Дежурный ударил.//Эхо//Пугливо метнулось к пруду… (В.Кочетков. Станция Зай.)
? Назовите источник звука. (Ответ. Колокол.)
2. ...Она (Маргарита. – А.С.) запечалилась и понурилась. Но тут вдруг та самая утренняя волна ожидания и возбуждения толкнула её в грудь: «Да, случится!» Волна толкнула её вторично, и тут она поняла, что это волна звуковая. Сквозь шум города всё отчетливее слышались приближающиеся удары барабана и звуки немного фальшивящих труб. (М.Булгаков. Мастер и Маргарита.)
? Чем отличается звуковая волна от других волн? Назовите основные характеристики звуковых волн. Почему мы можем отличить игру на трубе от игры на барабане? (Ответ. Звуковыми волнами называются волны, распространяющиеся в упругой среде и обладающие частотами от 16 до 20 000 Гц. Характеристиками звука являются громкость, высота звука и тембр. Различные музыкальные инструменты имеют различный тембр.)
3. ...Там лес и дол видений полны;//Там о заре прихлынут волны//На брег песчаный и пустой... (А.С.Пушкин. Руслан и Людмила.)
? Как называются волны на воде? Чем отличаются продольные волны от поперечных? (Ответ. Волны на воде называются поперечными, потому что точки (молекул воды) движутся перпендикулярно направлению распространения волны. В продольных волнах колебания точек происходят вдоль направления распространения волны. Примером продольных волн являются звуковые.)
4. ...Вдруг// Гром грянул, свет блеснул в тумане,// Лампада гаснет, дым бежит... (А.С.Пушкин. Руслан и Людмила.)
? Явление, описанное А.С.Пушкиным, очень похоже на молнию. Предположим, что это молния. А что сначала: мы слышим гром или видим молнию? (Ответ. Сначала мы видим молнию, а потом уже слышим гром – скорость света 300 000 км/с, а скорость звука в воздухе 340 м/с.)
5. ...Один средь храмин горделивых,// Супругу милую зовёт –//Лишь эхо сводов молчаливых//Руслану голос подаёт... (А.С.Пушкин. Руслан и Людмила.)
? Как можно объяснить это явление? (Ответ. Эхо – это результат отражения звуковых волн от сводов здания. Это явление подчиняется закону отражения.)
6. ...А играет – убей меня гром, коли на свете ещё кто-нибудь так играл! Проведёт по струнам смычком – и вздрогнет у тебя сердце, проведёт ещё раз – и замрёт оно, слушая, а он играет и улыбается. (А.М.Горький. Макар Чудра.)
? Можно ли струны скрипки назвать колебательной системой? Обычно смычком водят перпендикулярно струнам, а какая волна при этом образуется – продольная или поперечная? (Ответ. Струны скрипки– это колебательная система. При игре струны колеблются и порождают продольную звуковую волну.)
7. ...Надо вам сказать, что голос человека составляется из многих гармоник, – почти захлёбывался Прянчиков от напирающего желания всё скорей рассказать. (А.Солженицын. В круге первом.)
? О каком параметре звука хотел рассказать Прянчиков? (Ответ. О тембре.)
8. ...Беззвучно происходят только космические катастрофы, потому что в мировом пространстве звук не распространяется... Если бы за нашими плечами разорвалась Новая Звезда, – мы бы даже не услышали. (А.Солженицын. В круге первом.)
? Почему мы не услышим взрыв Новой Звезды? (Ответ. Звук может распространяться только в упругих средах, например, в воздухе или в воде.)
9. ...М-да... Но всё-таки судить о моральных побуждениях по голосу в полосе частот от трёхсот до двух тысяч четырёхсот герц... (А.Солженицын. В круге первом.)
? Определите длину волны данных звуковых волн.Скорость звука примите 300 м/с. (Ответ. От 1 м до 0,125 м.)
10. ...Батальон был уже сажен двести впереди нас и казался какой-то чёрной сплошной колеблющейся массой <...> и изредка долетали до слуха звуки солдатской песни, барабана и прелестного тенора, подголоска шестой роты, которым я не раз восхищался ещё в укреплении. (Л.Н.Толстой. Набег.)
? За какое время звук проходил расстояние от батальона до рассказчика, если скорость звука принять 340 м/с, а сажень равна 2,1 м? (Ответ. Примерно 1,2 с.)
11. ...Бас у тебя, – говорил регент, – хороший, точно пушка стреляет... (Н.Лесков. Соборяне.)
? К какому диапазону звуковых волн относят бас – низкочастотному или высокочастотному? (Ответ. К низкочастотному.)
12. ...Проснулось эхо гулкое,//Пошло гулять-погуливать,//Пошло кричать-покрикивать,// Как будто подзадоривать//Упрямых мужиков.//Царю! Направо слышится,//Налево отзывается://Попу! Попу! Попу!//Весь лес переполошился,//С летающими птицами,//Зверями быстроногими//И гадами ползущими.// И стон, и рёв, и гул!
Мычит корова глупая,//Пищат галчата малые,//Кричат ребята буйные,//А эхо вторит всем.//Ему одна заботушка –//Честных людей поддразнивать,//Пугать ребят и баб!// Никто его не видывал,//А слышать всякий слыхивал,//Без тела – а живёт оно,//Без языка – кричит!.. (Н.А.Некрасов. Кому на Руси жить хорошо.)
? Как объяснить явление – эхо? (Ответ. Явление эхо связано с отражением звука, причём звук может испытывать и несколько отражений.)
13. ...Гусля взял флейту и начал насвистывать какие-то странные мелодии, которые теснились у него в голове. Чувствуя, что мелодии эти как бы ускользают от него и не даются в руки, он схватил лист бумаги, написал сверху «Космическая симфония» – и стал покрывать бумагу нотным знаками... (Н.Носов. Незнайка на Луне.)
? Найдите ошибку у автора, ведь дело происходило на поверхности Луны. (Ответ. Так как на Луне нет атмосферы, а следовательно, нет среды, в которой мог бы распространятся звук, то Гусля не мог насвистывать.)
14. ...Космонавты, оставшиеся в пещере, решили не терять время зря и принялись за добычу лунита и антилунита. Ледорубы и геологические молотки дружно застучали о скалы. Впрочем, никакого стука не было слышно, потому что звук, как это теперь уже всем известно, не распространяется в безвоздушной среде... (Н.Носов. Незнайка на Луне.)
? Почему звук не распространяется на Луне? (Ответ. Звуковые волны распространяются только в упругой среде. А на Луне нет атмосферы и, следовательно, нет среды, в которой мог бы распространяться звук, но если бы космонавты приложили уши к скалам, то наверняка слышали бы звуки геологических молотков.)
По загадкам
1. Молчуна перемолчит,//Крикуна перекричит.
? Через какое время мы услышим эхо, если расстояние до отражающей поверхности 200 м? (Ответ. Если считать скорость звука 340 м/с, то через 0,6 с.)
2. Хоть хвали, хоть ругай,//А откликнусь – не пеняй.
? Как объяснить эхо?
3. В лесу выросло,// Из лесу вынесли,//На руках плачет,//А на полу скачет.
? Почему «плачет» балалайка?
4. Не кошено,//Не рожено,// А на коленях плачет.
? Основным тоном настройки гитары является «ля» первой октавы, частота 440 Гц. Определите длину волны первой струны гитары. (Ответ. При скорости звука 340 м/с длина звуковой волны частотой 440 Гц равна 0,77 м.)
5. Само слов не знает,//А на всех языках разговаривает.
? Мы услышали эхо через 1,5 с. На каком расстоянии оказалось препятствие? (Ответ. 113 м, если скорость звука 340 м/с.)
Информационный блок 1 (8 мин)
(Строение уха и его отдельных органов в газете не приводится, это можно взять в учебниках анатомии и физиологии. – Ред.)
Слуховой аппарат человека
Частотный диапазон звуков, воспринимаемых ухом ........................................... 6–20 ... 20 000 Гц
Частотный диапазон речи ............................................................................................ 1200–9000 Гц
Частота звуковых колебаний, к которым наиболее чувствительно ухо ................... 1500–3000 Гц
Расстояние между правым и левым ушами взрослого человека, см ............................ около 18 см
Форма барабанной перепонки ............................................................................................. овальная
Масса молоточка ............................................................................................................... около 23 мг
Масса наковальни ............................................................................................................. около 25 мг
Масса стремечка .................................................................................................................. около 3 мг
Площадь наружного отверстия слухового канала уха ..................................................... 0,3–0,5 см2
Площадь барабанной перепонки ............................................................................................ 0,1 см2
Немного о звуках, воспринимаемых ухом
У маленьких детей предел слышимости доходит до 22 000 Гц, у стариков понижается до 10 000 Гц и ниже (старые люди, например, часто не слышат стрекотания кузнечиков, цикад, сверчков).
Экспериментальная задача (до 10 мин – решение и обсуждение результатов, работа в группах)
Определение спектральных границ чувствительности человеческого уха.
Оборудование: аудиометр (звуковой генератор), наушники.
Задание: изучить спектральные характеристики звуковых колебаний, минимальную и максимальную частоту восприятия звуковых волн человеческим ухом.
Содержание и метод выполнения работы. Ухо – необычайно чувствительный орган, мы в состоянии слышать звук на значительном расстоянии от источника, даже слабого.
Порядок выполнения работы
1. Наденьте наушники и включите звуковой генератор.
2. Подайте сигнал на правое ухо.
3. Увеличивая частоту от 0 Гц, зафиксируйте, при каком значении ухо начинает воспринимать звук. Измерение повторите 3–4 раза.
4. Повторите измерения, уменьшая частоту от 40 Гц, зафиксируйте наименьшую частоту, при которой ухо воспринимает звук. Измерения повторите 3–4 раза.
5. Вычислите среднее значение минимальной частоты, при которой ухо воспринимает звук.
6. Повторите измерения для левого уха.
7. Подайте сигнал на левое ухо.
8. Увеличивая частоту от 19 000 Гц, зафиксируйте значение максимальной частоты, когда ухо ещё воспринимает звук. Измерение повторите 3–4 раза.
9. Уменьшая частоту от 22 000 Гц, зафиксируйте значение, когда правое ухо воспринимает звук. Измерения повторите 3–4 раза.
10. Повторите измерения для левого уха.
11. Результаты занесите в таблицу:
№ |
Минимальная частота восприятия звука левым ухом, Гц | Максимальная частота восприятия звука левым ухом, Гц | Минимальная частота восприятия звука правым ухом, Гц | Максимальная высота восприятия звука правым ухом, Гц |
| 1 | ||||
| 2 | ||||
| 3 |
12. Сделайте вывод о диапазоне воспринимаемых человеческим ухом частот.
Информационный блок 2 (8 мин)
Музыкальные звуки составляют восемь октав:
– субконтроктава (16–32,7 Гц);
– контроктава (обозначается С1: 32–65,4 Гц);
– большая октава (С: 65,4–130,8 Гц);
– малая октава (с: 130,8–261,6 Гц);
– первая октава (с1: 261,6–523,2 Гц);
– вторая октава (с2: 523,2–1046,6 Гц);
– третья октава (с3: 1046,6–2093,1 Гц);
– четвёртая октава (с4: 2093,1–4184 Гц).
Основным тоном музыкальной настройки считается «ля» первой октавы. Частота основного тона (нормального, или стандартного) равна 440 Гц.
Высота голоса певца зависит от длины голосовых связок и их натяжения. У мужчин длина голосовых связок составляет 18–25 мм (бас – 25 мм, тенор – 18 мм), у женщин 15–20 мм.
Частотные диапазоны (длины волн):
80–350 Гц (длина волны 4,25–0,97 м) – бас;
100–400 Гц (3,4–0,85 м) – баритон;
130–500 Гц (2,6–0,68 м) – тенор;
170 –780 Гц (2,0– 0,44 м) – контральто;
200–900 Гц (1,7–0,38 м) – меццо-сопрано;
250–1000 Гц (1,36– 0,34 м) – сопрано,
260–1400 Гц (1,32–0,24 м) – колоратурное сопрано.
При сильном выхолаживании приземного воздуха в атмосфере могут возникать мощные температурные инверсии со скачком температуры 20 °С и более. Центральные районы Якутии занимают первое место в мире по количеству таких инверсий. Проходящие через атмосферу под большим наклоном звуковые лучи в слоях инверсии испытывают [полное внутренне отражение от более нагретых (а следовательно, и более разреженных слоёв). – Ред.] и возвращаются к земле. За счёт фокусировки звуковых лучей температурной инверсией резко возрастает дальность слышимости звуковых сигналов. Р.Скотт в Антарктиде при штиле и температуре –60 °С слышал скрип снега под лыжами и удары ломов о лёд с расстояния 4–5 км. В Оймяконе лай собак, шум электропилы и широковещательные радиопередачи средней громкости на открытом воздухе в середине зимы хорошо слышны на расстоянии 2,5 км.
Экспериментальная задача (до 10 мин – решение и обсуждение результатов, работа в группах)
Снятие спектральной характеристики на пороге слышимости
Оборудование: аудиометр (звуковой генератор), наушники.
Задание: изучить физиологические характеристики звуковых колебаний.
Содержание и метод выполнения работы. Звук представляет собой колебания частотой от 16 Гц до 20 кГц, распространяющиеся в упругой среде. Источником звука может быть тело, колеблющееся с частотой в указанном диапазоне. Простой тон – это звуковое колебание, характеризующееся определённой частотой. Сложный тон можно разложить на простые, при этом тон наименьшей частоты называется основным, а остальные – обертонами.
Энергетической характеристикой звука является интенсивность. Нормальное человеческое ухо воспринимает очень широкий диапазон интенсивностей: например, на частоте 1 кГц – от 10 пВт/м2 (порог слышимости) до 10 Вт/м2 (порог болевого ощущения). Для оценки интенсивности звука применяют шкалу уровней интенсивности. Уровень интенсивности выражают в белах (Б) или децибелах (дБ). 1дБ = 0,1 Б.
Метод измерения остроты слуха называют аудиометрией. При аудиометрии с помощью звукового генератора и наушников определяют порог восприятия L на разных частотах. Полученная зависимость порога восприятия от частоты тона называется спектральной характеристикой уха на пороге слышимости, или аудиограммой.
Ход работы
1. Наденьте наушники и включите звуковой генератор.
2. Подайте сигнал на правое ухо.
3. Установите частоту 100 Гц, и, увеличивая интенсивность звука от минимального значения, зафиксируйте значение порога восприятия L1, при котором услышите звук. Измерение повторите 3–4 раза.
4. Не меняя частоты, установите уровень интенсивности на 20 дБ выше полученного значения, L2 и, уменьшая интенсивность, зафиксируйте наименьший уровень, при котором звук ещё слышен. Измерение повторите 3–4 раза.
5. Вычислите среднее значение порога восприятия Lср для данной частоты.
6. Аналогично определите Lср для частот 200, 400, 600, 1000, 1500, 2000, 3000, 5000 и 10 000 Гц.
7. Результаты занесите в таблицу.
| № |  ,
Гц |
L1, дБ | L2, дБ | Lср, дБ |
| 1 | 100 | |||
| 2 | ||||
| 3 | ||||
| 1 | 200 | |||
| 2 | ||||
| 3 | ||||
| 1 | ... | |||
| 2 | ||||
| 3 |
8. Повторите измерения для левого уха.
9. Постройте аудиограммы для правого и
левого уха (зависимость порога восприятия L
от ).
10. Сделайте вывод о зависимости порога восприятия от частоты для левого и правого уха.
Проверка знаний и умений (до 5 мин, работа в группах)
1-я группа
Голиаф – самая крупная лягушка, обитающая в Камеруне (Африка). Её вес 3,5 кг, а длина тела 32 см. Самой маленькой лягушкой считается чесночница с Сейшельских островов, длиной 1,8–1,9 см. Крик лягушки-быка из Северной Америки слышен на расстоянии нескольких километров и похож на рёв быка. Ещё громче орёт самец древесной лягушки-коки из Пуэрто-Рико: будучи менее 5 см, он издаёт крик силой 108 дБ.
Задача. Чему соответствует крик древесной лягушки по уровню звукового давления? (Ответ. Сирене пассажирского поезда – 110 дБ.)
Создателей мультика про Винни-Пуха не устраивал голос актёра Евгения Леонова, который озвучивал главного героя, – низкий баритон. Как же удалось поправить дело? (Ответ. Фонограмму просто пустили на повышенной скорости – и Леонов заговорил тоном повыше.)
2-я группа
Шёпот – это когда голосовые связки ни при чём. У рыб они и ни при чём. Скрипят пузырями, жаберными крышками, скрежещут зубами, щёлкают костяшками. А слышат как! Пескари звук камертона или свистка за 30 м улавливают. А уши какие интересные! В черепе, позади глаз, есть пузырёк с густой жидкостью, а в ней камешки плавают. Они-то и воспринимают звуковые колебания и по нервам передают сигнал мозгу.
Задача. Определите время, через которое пескари слышат звук от источника на расстоянии 1 км, если скорость звука в воде при температуре 25 °С равна 1500 м/с. (Ответ. 0,7 с.)
Инфразвуки, с которыми каждый из нас ежедневно встречается, влияют на человека. Специалисты на основание многих фактов, наблюдений подозревают, что инфразвуки – одна из причин нервной усталости у городских жителей. И мы знаем, что в городах действительно больше инфразвуков. Назовите источники инфразвука. (Ответ. Городской транспорт, многие производства.)
3-я группа
Куры орловской породы очень крупные, красивые и несут много яиц. Самое же главное достоинство петухов – необычный голос. Звучный, бархатный, протяжный, без хрипоты. Голосистых петухов заводили у себя все любители петушиного пения. И вот что интересно: орловскую птицу никогда не продавали за деньги, а только обменивали. Брали за них зерно, скот, муку. А ценились орловские петухи дорого – за хорошего голосистого петуха давали барана, а то и телёнка. Петухи поют басом, баритоном и тенором. Каждый любитель, слушая их, выбирает себе по вкусу.
Задача. Частотный диапазон голосов соответствует: тенор 130–500 Гц, баритон 100–400 Гц, бас 80–350 Гц. Определите соответствующие диапазоны длин волн. (Ответ. Бас – 4,25–0,97 м; баритон – 3,4–0,85 м; тенор – 2,6–0,68 м.)
4-я группа
В России есть самый большой колокол в мире – Сысой, – один из пятнадцати колоколов звонницы Ростова Великого Ярославской области. Его масса 32 т. Отлитый в 1688 г. мастером Фролом Терентьевым, он покоряет ростовчан и гостей города своим мощным бархатным звоном. В немецком г. Кёльне особым звучанием отличается колокол Петер массой 24 т, отлитый в 1923 г. Трудно сравнить звучание этих двух колоколов, поскольку они различаются по тембру, технике исполнения. Звон колоколов завораживает, не оставляет никого равнодушным.
Задача. Как возникает звук при ударах в колокол? Что называется тембром? Какие характеристики звука вы ещё знаете? (Ответ. Тембр звука – это его окраска, зависящая от источника звука. Характеристиками звука являются также высота и громкость.)
Чтобы представить себе мощь вулканических сил, стоит поразмыслить над таким фактом: когда в 1815 г. на острове Сумбава в Индонезии «заговорил» вулкан Тамбора, его «голос» был слышен по всей Яве, на Калимантане, в Новой Гвинее и в Австралии. На побережье Суматры, а это 460 км от вулкана, его извержение отдавалось пушечной канонадой.
Задача. Сколько времени звук шёл до побережья Суматры? Скорость звука 340 м/с. (Ответ. 22,5 мин.)
5-я группа
Общее правило: чем меньше насекомое, тем быстрее оно машет крыльями. У многих насекомых (у саранчи, стрекоз и др.) две пары крыльев, у других (мухи, жуки) только одна пара крыльев. Скорость работы крыльев различная. Так, крупные бабочки, например махаон, делают 5 взмахов за 1 с, саранча – 18, комнатная муха – 120, пчела – 180, галлица 700–1000.
Задача. Какое из этих насекомых мы услышим? (Ответ. Саранча в полёте издаёт звук частотой 18 Гц, комнатная муха – 120 Гц, пчела – 180 Гц, галлица– 700–1000 Гц.)
Биологи, изучавшие, как действует на психику инфразвук большой интенсивности, установили: иногда он рождает чувство беспричинного страха, вызывает состояние усталости, чувство тоски или же морскую болезнь с головокружением и рвотой. Профессор Гавро высказал предположение, что биологическое действие инфразвука проявляется тогда, когда частота волны совпадает с так называемым альфа-ритмом головного мозга.
Вопрос. Какие волны называются инфразвуком? (Ответ. Волны частотой меньше 20 Гц.)
6-я группа
В Югославии одно из мест близ Куршумлии долгое время считалось дьявольским. Каменные фигуры, созданные старанием ветра и влаги, по ночам издавали различные звуки, пугая суеверных людей, для которых эти звуки были ничем иным, как дьявольскими кознями. В Египте звучат по утрам, при восходе солнца, колонны – остатки древнего Карнакского храма.
Задание. Объясните происхождение звуков. (Ответ. Колонны сложены из пористого камня. Днём у нагретого горячим солнцем камня поры несколько увеличиваются в размерах, и воздух проходит через них без задержки, – колонны молчат. Утренняя прохлада создаёт условия, когда движение воздуха в порах сопровождается звуком, напоминающим стон.)
Одна из сцен в театре переносила зрителей в далёкое тревожное прошлое. Какими техническими средствами лучше всего выразить этот момент? Известный американский физик Р.Вуд предложил использовать очень низкие, рокочущие звуки, которые, как полагал учёный, создадут в зрительном зале обстановку ожидания чего-то необычного, пугающего. Вуд сконструировал специальную трубу, которую присоединил к органу. И первая же репетиция испугала всех. Труба не издавала слышимых звуков, но, когда органист нажимал на клавишу, в театре происходило необъяснимое: дребезжали оконные стекла, звенели хрустальные подвески канделябров. Хуже того – все, кто присутствовал в этот момент на сцене и в зрительном зале, почувствовали беспричинный страх! А виновником были неслышимые человеческим ухом инфразвуки!
Задача. Определите длину хрустальных подвесок, если частота инфразвука в театре была 10 Гц. (Ответ. 0,025 м.)
Задачи повышенного уровня
Одна летучая мышь в течение часа поглощает более 700 комаров. УЗ-сигналы частотой 20–120 кГц и продолжительностью 0,2–100 мс летучие мыши генерируют гортанью и испускают через рот или ноздри. На Сейшельском архипелаге, который объединяет около 45 островов Индийского океана, из млекопитающих водятся только летучие мыши.
Задача. Определите диапазон длин волн, испускаемых летучей мышью, если скорость ультразвука 340 м/с. (Ответ. 0,017–0,0028 м.)
Огромная масса воды Ниагары низвергается с высоты 50 м, развивая при этом мощность примерно 4 млн л. с. На возбуждение акустических колебаний затрачивается менее 1% этой мощности. Шум Ниагары днём обычно слышен на расстоянии 1,6–2 км, ночью же может достигать 6–7 км. На расстоянии 57 м шум составляет 87 дБ, у самого же места дробления воды он настолько оглушителен, что люди буквально не слышат друг друга.
Задача. Сколько времени идёт звук от Ниагары на максимальное расстояние слышимости? С чем сопоставим звук Ниагары на расстоянии 57 м? (Ответ. Днём – примерно 6 с, ночью – 20 с, на расстоянии 57 м Ниагара шумит, как двигатель автомобиля.
На острове Исландия находится известный вулкан Гекла. Первое известное людям извержение Геклы произошло в 1104 г. В дальнейшем вулкан просыпался ещё более двадцати раз с интервалами от двадцати до ста двух лет. Последний раз это случилось в 1991 г. Находились очевидцы, которые утверждали, что уже на расстоянии одной мили от Геклы можно услышать крики грешников, плач и скрежет зубов,
когда большие вороны гонят грешные души в эти адские врата. Когда в 1700 г. двое натуралистов, прибывших в Исландию, хотели подняться на Геклу и исследовать её кратер, они не смогли найти носильщиков: никто из местных жителей не желал добровольно отправиться в гости к дьяволу.Статья подготовлена при поддержке компании «Нужные люди». Если вы решили повысить опыт ваших сотрудников, то оптимальным решением станет обратиться в компанию «Нужные люди». На сайте, расположенном по адресу www.Asales.Ru, вы сможете, не отходя от экрана монитора, записаться на корпоративные тренинги продаж по выгодной цене. В компании «Нужные люди» работают только высококвалифицированные специалисты с огромным опытом работы с клиентами.
Задача. Может ли звук преодолевать такие расстояния? Сколько времени на это потребуется? Скорость звука примите 340 м/с. (Ответ. 5,3 с.)
Итоги урока (2–3 мин)
За 45 минут сложно изучить тему «Изучение слухового аппарата человека», но нами сделана попытка объяснить некоторые аспекты этого явления. Впереди вас ждут новые открытия. А для тех, кто хочет узнать ещё больше, предлагаю обратиться к литературе:
– Енохович А.С. Справочник по физике. – М. Просвещение, 1990;
– Кононович Э.В., Мороз В.И. Общий курс астрономии. – М.: УРСС, 2001;
– Куликовский П.Г. Справочник любителя астрономии. – М.: УРСС, 2002;
– Энциклопедии для детей. Аванта +: Тома «Техника», «Астрономия», «Биология», «Человек»;
– Энциклопедии «Я познаю мир». – М.: Астрель 2003, 2004.
Домашний и внеурочный эксперимент
Проверка музыкального слуха. Шкалу стоящего на демонстрационном столе указателя частоты звукового генератора закрывают бумажным листом. Рядом на стол помещают камертон и предлагают одному из учеников (например, имеющему хороший музыкальный слух) ударить молоточком по камертону, а затем, услышав звук, воспроизвести такой же с помощью звукового генератора. Сняв бумагу со шкалы, проверяют, насколько соответствуют показания указателя частоте звука камертона.
Передача упругих волн по хлопчатобумажной нити.
В а р и а н т 1.
На Руси издавна известна детская игрушка: в пустой спичечный коробок пропускают через небольшое отверстие хлопчатобумажную нить длиной 2–3 м, привязанную другим концом к деревянной катушке от ниток так, чтобы она могла свободно вращаться. К концу нити в коробке привязывают спичку.
Играют вдвоём. Один держит в руках катушку, а другой – спичечный коробок. Место крепления нити к катушке чуть-чуть смачивают, нить натягивают. Если теперь понемногу вращать катушку, то в коробке раздаются хорошо слышимые щелчки. Этот эффект обусловлен следующими причинами. При вращении катушка периодически сцепляется с нитью и соскальзывает – нить начинает вибрировать. Волны, порождённые вибрациями, передаются по нити (упругой среде) к спичечному коробку, который служит резонаторным ящиком и усиливает звук.
Вопросы. Для чего необходимо смочить место соединения нити с катушкой? Изменится ли звук, если спичечный коробок приоткрыть?
В а р и а н т 2.
В дне пластмассового стакана шилом прокалывают небольшое отверстие, через которое продевают прочную нить длиной 1–1,5 м. К концу нити со стороны дна привязывают спичку. Берут небольшой кусочек поролона, смачивают его в воде, складывают пополам и зажимают в нём нить вблизи стакана. Держа стакан одной рукой, второй перемещают поролон рывками по натянутой нити. Раздается достаточно громкий звук, напоминающий цыплячий писк. Причина в том, что прерывистое движение поролона по нити вызывает её колебания, которые достигают дна стакана, заставляя его колебаться. Стакан передаёт часть своей энергии молекулам воздуха, который и переносит её в виде звуковых колебаний. Форма стакана (рупор) позволяет концентрировать звуковые волны и посылать их в определённом направлении.
Нитяной телефон.
Два пустых спичечных коробка соединяют нитью. Концы нити внутри коробков привязывают к спичкам. Один коробок приоткрывают и натягивают нить. Первый играющий произносит какую-нибудь короткую фразу, держа около рта коробок с открытой гранью. Второй, приложив другой коробок к уху, пытается угадать произнесённую фразу.
Вопросы. Как действует нитяной телефон? Какова оптимальная длина нити? Как зависит частота звука на другом конце нити от её натяжения и толщины? Изменяется ли частота звука при передаче по нитяному телефону?
Примечание. В книге Дж.Уокера «Физический фейерверк» описан «верёвочный телефон», в котором вместо спичечных коробков используются консервные банки.
Стеклянная гармоника. Почему винный бокал «поёт», если провести мокрым пальцем вдоль его края? Что именно вызывает звучание бокала и почему палец при этом должен быть влажным, а не масляным? Что определяет частоту звука? Каковы колебания кромки бокала: поперечные или продольные? Наконец, почему пучности (максимумы) колебаний поверхности жидкости в бокале смещены вдоль кромки бокала на 45° от точки, в которой палец касается кромки?..
Палец возбуждает продольные колебания, распространяющиеся вдоль кромки. При этом возникают также поперечные колебания, перпендикулярные кромке. Последние вызывают движение жидкости. Пучности поперечных колебаний, а следовательно, и пучности колебаний жидкости, ориентированы под углом 45° относительно пучностей продольных колебаний. В месте касания пальца находится пучность продольных колебаний, так что пучность колебаний жидкости смещена от пальца вдоль кромки бокала на 45°. Стеклянная гармоника (более правильное название «армоника») – очень красивый музыкальный инструмент, изобретённый в 1761 г. знаменитым американским учёным и государственным деятелем Б.Франклином (1756–1791). В наши дни гармоника почти неизвестна, но в своё время она была популярна настолько, что великий австрийский композитор Вольфганг Амадей Моцарт (1756–1791) написал квинтет для стеклянной гармоники, флейты, гобоя, скрипки и виолончели.
Почему свистит бутылка? Если подуть поперёк горлышка маленькой бутылка из-под лимонада, она начинает звучать. Здесь имеется не только препятствие на пути струи (край горлышка), но и полость, примыкающая к этому препятствию. К тому же типу свистков относятся флейты, органные трубы и т.д. Почему все эти устройства производят звук определённой частоты? Влияет ли диаметр горлышка бутылки на частоту издаваемого ею звука? А форма? Допустим, я частично заполню бутылку водой, определю её резонансную частоту с помощью камертонов, а затем встряхну. Форма полости, конечно, изменится. А резонансная частота? Бутылка из-под лимонада, свирель, флейта отличаются от свистков... тем, что в них вблизи отверстия или края, на которых образуются неустойчивости, находится резонирующая полость. Из набора частот, присутствующих в звуке, возникающем на краю препятствия или в отверстии, полость выделяет и усиливает резонансную частоту, которую мы и слышим.
ОТ РЕДАКЦИИ. См. также наши публикации:
Бражников М.А. Стекляная гармоника Франклина. 10-й кл. № 9/2007.
Как это устроено? Кохларные слуховые имплантаты. № 11/2007; Орган. № 17/2007.
Киркова С.И. Звуковые волны. Инфразвук и ультразвук. Выдержки из ученических проектов. 9-й кл. № 3/2006.
Князев А.А. Автоколебания. № 3/2006.
Логинов Л.А. Необычные музыкальные инструменты. Повторительно-обобщающий открытый урок. 11-й кл. № 18/2003.
Рейман А.М. Ультразвуковой жиромер. № 1/2007.
Степанюк И.А., проф. Инфразвук: Физика и биология. № 1/2007.
Струков В.Е. Музыка и графические образы. Предновогодняя НПК. № 2/2006.
Шмырёв А.А., Гуров И.С. Источники звука. Звуковые колебания.Конспект урока-объяснения нового материала с компьютерной поддержкой. 9-й кл. № 23/2006.
Шуваева Е.А., Токарева С.С. Волшебный мир звуков. Информационно-технологическая игра. 11-й кл. № 17/2007.