Тема урока: Звуковые волны. Свойства звука.

Цели урока: Ознокомить учащихся с примером механических волн – звуковых.

Дать понатие о свойствах звука.

Рассказать о «звуковых характеристиках» человека и животных.

Опираясь на знания учащихся по анатомии человека выяснить механизм слуха.

Определить значение звука в различных видах искусства и жизни человека.

Методы обучения: Беседа. Рассказ. Демонстрация опытов. Наблюдение явлений. Обобщение наблюдений. Записи на доске и в тетрадях.

Демонстрации: 1) Виды волн; 2) Источники звуковых волн; 3) Затухание звука при откачивании воздуха; 4) Возбуждение звуковых волн голосовыми связками (по плакату); 5) Восприятие звуковых волн ухом  (по плакату); 6) Демонстрация звуковых волн различных частот; 7) Использование звуковых волн в музыке.

Оборудование: Демонстрационное: телефон, громкоговоритель, различные музыкальные инструменты, камертон, колокол вакуум насоса, насос Комовского, генератор звуковых волн, молоточек камертона, магнитофон, соединительные провода, плакаты: «Гортань», «Ухо».

Литература: 1. Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика: Учебник для 10 класса средней школы. – М.: Просвещение, 1992.

2. Демонстрационный эксперимент по физике в средней школе /Под ред. А. А. Покровско­го. — М.: Просвещение, 1978.

3.                     Методика преподавания физики в 8 – 10 классах средней школы. Ч. 2/Под ред. В.П. Орехова, А.В. Усовой и др. – М.: Просвещение 1980.

4. Енохович А.С. Справочник по физике и технике. – М.: Просвещение, 1983.

Структура урока:1. Организационный момент……………………….2 мин.

2. Повторение ……………...…………………………..10 мин.

3. Изучение нового материала…………………………25 мин.

4. Закрепление……………………………………………6 мин.

5. Задание на дом………………………………………...2 мин.

 

 Ход урока.

 

1.Организационный момент.

 

1)     Приветствия учащихся.

2)     Сообщение темы и целей урока.

 

2. Повторение.

 

Учитель. Человек живет в мире звуков. Звук — это то, что слышит ухо. Мы слышим голоса людей, пение птиц, звуки музыкальных инструмен­тов, шум леса, гром во время грозы. Звучат работающие машины, движу­щийся транспорт и т. д.

Что такое звук? Как он возни­кает? Чем одни звуки отличаются от других? Сегодня мы постараемся определить, что такое звук, но сначала повторим предыдущие темы. Скажите, что называются колебаниями?

Ученик. Колебания — про­цессы, повторяющиеся через одинаковые промежутки времени относительно среднего положения.

Учитель. Какими величинами характеризуются колебания?

Ученик. Амплитудой, частотой и периодом колебаний.

Учитель. Верно, а что называются волнами?

Ученик. Распространение в пространстве колебаний от точки к точке, от частицы к частице называется волной.

Учитель. Какие виды волн бывают?

Ученик. Волны бывают двух видов: Продольные и поперечные.

Учитель. Какими величинами характеризуются волны?

Ученик. Амплитудой, частотой и периодом, длиной волны и скоростью распространения волны.

Учитель. Все верно. Приступим, теперь к изучению нового материала.

 

Изучение нового материала.

 

Учитель. Раздел физики, в котором изуча­ются звуковые явления, называется акустикой.

Услышав какой-то звук, мы обычно можем установить, что он дошел до нас от какого-то источника. Рассматривая этот источ­ник, мы всегда найдем в нем что-то колеблющееся. Если, например, звук исходит от репродуктора, то в нем колеблется мембрана — легкий диск, закрепленный по его окруж­ности. Если звук издает музыкаль­ный инструмент, то источник звука — это колеблющаяся струна, колеблю­щийся столб воздуха и др. (Демонстрируются возникновение звуковых волн с помощью музыкальных инструментов, звукового генератора и др.)

Но как звук доходит до нас? Очевидно, через воздух, который разделяет ухо и источник звука. Но распространяющиеся колеба­ния—это волна. Следовательно, звук распространяется в виде волн. И кое-что о звуковых волнах мы можем сразу сказать. Если звуковая волна распространяется в воздухе, значит — это волна про­дольная, потому что в газе только такие волны и возможны.

В продольных волнах колебания частиц приводят к тому, что в газе возникают сменяющие друг друга области сгущения и разрежения. На рисунке 170 показана такая волна сгущений и разрежении.

То, что воздух — «проводник» зву­ка, было доказано опытом, постав­ленным в 1660 г. Р. Бойлем. Если откачать воздух из-под колокола воздушного насоса (рис. 171), то мы не услышим звучания находяще­гося там электрического звонка. (Демонстрируются затухание звуковых волн при откачивании воздуха из под колокола воздушного насоса.)

Звук может распространяться также и в жидкой, и в твердой среде. Тот, кто нырял в реку или море, знает, что под водой хорошо слышны звуки гребных винтов тепло­ходов, удары камней, плесканий и др. Звук движущегося поезда хорошо слы­шен, если приложить ухо к рельсу.

Если звук — это волна, распространяющаяся в воздухе, то он должен возникать всякий раз, когда частицы воздуха приходят в колебательное движение. Размахивание руками, например, тоже должно было бы вызвать звук: ведь машущие руки заставляют частицы колебаться. Известно, од­нако, что размахивание руками не воспринимается ухом как звук, хотя волна при этом возникает. Объяс­няется это тем, что ощущение звука создается только при определенных частотах колебаний в волне. Опыт показывает, что для органа слуха человека звуковыми являются толь­ко такие волны, в которых коле­бания происходят с частотами от 20 до 20 000 Гц. Размахивать руками 20 и более раз в секунду никто не может!                                  

Рис. 1. Ухо человека.

Человек – существо разумное, оно наделено средствами общения: голосовыми связками для возбуждения звуковых волн и ушами для их приема. Ощущение звука  вызывается звуковыми волнами, достигающими органа слуха—уха. Важнейшая часть этого органа — барабанная перепонка. Пришедшая звуковая волна вызывает вынужденные ко­лебания перепонки с частотой коле­баний в волне. Они и воспринимают­ся мозгом как звук. (Демонстрируются (по плакату) возникновение звуковых волн с помощью гортани и преобразование звука в нервные импульсы при помощи барабанных перепонок.)

Звуки бывают разные. Мы легко различаем свист и дробь барабана, мужской голос (бас) от женского (сопрано).

Чем же отличаются звуки друг от друга?

Об одних звуках говорят, что они низкого тона, другие мы называем звуками высо­кого тона. Ухо их легко различает. Звук, создаваемый большим бараба­ном, это звук низкого тона, свист — звук высокого тона. Простые изме­рения (развертка колебаний) пока­зывают, что звуки низких тонов — это колебания малой частоты в зву­ковой волне. Звуку высокого тона соответствует большая частота коле­баний. Частота колебаний в звуковой волне определяет тон звука.

Таб. 1. Частота колебаний крыльев насекомых и птиц в полете.

Частота колебаний       крыльев     насекомых и птиц в полете, Гц
Аисты Бабочки капустницы Воробьи  Вороны Жуки майские Колибри  Комары	2 до 9 до 13 3—4 45 50 300— 600	Мухи комнатные  Пчелы  Пчелы со  взятком Саранча Слепни   Стрекозы Шмели	190—330 200—250 до  440 20 100 38—100 180—240

Существуют особые источники звука, испускающие единственную частоту, так называемый чистый тон. Это камертоны различных размеров — простые устройства, представляющие собой изогнутые металлические стержни на ножках (рис. 172). Чем больше размеры камертонов, тем ниже звук, который он испускает при ударе по нему.

Различные животные по разному воспринимают звуковые волны.

(Демонстрируется таблица «Диапазоны слышимых звуков». В таблице приведены примерные диапазоны механических ко­лебаний в упругой среде, воспринимаемых органами чувств некоторых животных.)

Рис. 2. Камертон.                                                                             Таб.2 Диапазоны слышимых звуков.

Диапазоны слышимых звуков. Диапазоны механических ко­лебаний в упругой среде, воспринимаемых органами чувств некоторых животных.
	Человек	Сверчок	Кузнечик	Лягушка
Диапазон частот, воспринимаемых органом слуха, Гц	16-20000	2—4000	10-100000	50—30 000

Звуки даже одного тона могут быть разной громкости. С чем связана эта ха­рактеристика звука? Нетрудно по­нять, что она связана с энергией колебаний в источнике и в волне Энергия же колебаний определяется амплитудой колебаний. Громкость, следовательно, зависит от амплиту­ды колебаний. Но связь между громкостью и амплитудой не простая.                    

  Рис. 3. Область слухового восприятия доступная  нормальному уху человека.

 

Самый слабый еще слышимый звук, дошедший до барабанной перепонки, приносит в 1 с энер­гию, равную примерно 10^-16 Дж, а самый громкий звук (реактивного ракетного двигателя в нескольких метрах от него) — около 10^-4 Дж. Следовательно, по мощности самый громкий звук примерно в тысячу миллиардов раз превосходит   самый слабый. Но этого нельзя сказать о громкости звука. О звуках вообще нельзя сказать, что один из них в два, в три, а тем более в миллионы или в миллиарды раз громче другого. О звуках различной гром­кости говорят, что один громче другого не во столько-то раз, а на столько-то единиц. Единица гром­кости  называется  децибелом (дБ). Например, громкость звука шороха листьев оценивается 10 дБ, шепота — 20 дБ, уличного шума — 70 дБ. Шум громкостью 130 дБ ощущается кожей и вызывает ощу­щение боли. О громкости уличного шума, например, можно сказать, что она на 60 дБ больше громкости шороха листьев. (Демонстрируется рисунок 3 «Область слухового восприятия доступная                    нормальному уху человека.)

Скорость звука. 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: V= lv.

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.

Частицы жидкости, в которой распространяется звуковая волна, совершают вынужденные колебания с частотой, «навязанной» им коле­баниями в источнике звука. Но длина волны даже одного и того же звука в разных средах различна, потому что различны скорости звука.

 

Таб.3. Скорость звука в различных средах.

 

 (В заключении демонстрируется таблица 4: «Звуковые параметры человека».)

Табл. 4. «Звуковые параметры человека.»

Мощность голоса, Вт. тихий шепот  речь обычной громкости предельная громкость  Интенсивность звука при пороге слышимости, Вт/м2.    Интенсивность звука при пороге болевого ощущения, Вт/м2      Частоты, к которым ухо имеет наибольшую чувстви­тельность, Гц Частотный диапазон при обычном разговоре, Гц: у мужчин у женщин Примерное число колебаний голосовых связок при пе­нии, Гц бас баритон тенор       сопрано детский голос колоратурное сопрано Длина голосовых связок у певцов, см бас  тенор  сопрано  Рекордная высота звука женского голоса (при пении), кГц  Скорость звука в тканях тела, м/с

l0-9 7*l0-6 2* l0-3 l0-12 10 - 100 1600- 4000   85 - 200 160 - 340   80 - 250 110 - 400 130 - 520 260 - 1050 260 - 1050 330—1400   2,5 1,7—2,0 1,5 2,35 1530 - 1600