Урок "Звуковые волны" (11-й класс)

Цель урока: 

Дать понятие о звуковых волнах, систематизировать и обобщить знания учащихся по теме.

Задачи.

1. Рассмотреть особенности распространения звуковых волн, изучить физические характеристики звука, дать понятие об акустическом резонансе.
   
2. Развивать у учащихся умение работы с дополнительной литературой и с учебником, умение делать самоанализ и анализ работы товарищей, умение делать выводы на уроке по полученной информации и систематизировать эту информацию, развивать творческие способности учащихся.
   
3. Воспитывать правильное восприятие окружающего мира и влияние человека на окружающую среду, умение организованно работать на уроке.

План  урока.

1. Организационный этап.
   
2. Опрос или проверка домашнего задания.
   
3. Новый материал с сообщениями учащихся и демонстрациями.
   
4. Проверка усвоения знаний.
   
5. Закрепление нового материала – решение задач по данной теме.
   
6. Подведение итогов.
   
7. Информация о домашнем задании.

Оборудование. Звуковой генератор, камертоны на подставках, линейка, звонок, колокол воздушного насоса.

Фронтальный  опрос.

1. Что представляет собой волновой процесс?
   
2. Какие бывают волны и в чем их принципиальное отличие друг от друга?
   
3. От чего зависит энергия  волны?
   
4. От чего зависит частота волны и ее длина?
   
5. Какова зависимость скорости волны от ее длины и частоты?
   
6. Что представляет собой сферическая или шаровая волна?
   
7. Характер образующихся волн в газообразных, жидких и твердых телах.

Новый   материал.

Учитель. Опыт из учебника с линейкой.

Линейка сжимает прилегающий к одной из сторон слой воздуха и одновременно создает разряжение с другой стороны. Эти сжатия и разряжения чередуются во времени и распространяются в обе стороны в виде упругой продольной волны, которая достигает нашего уха и вызывает в близи него периодические колебания давления, которые воздействуют на слуховой аппарат.
Человеческое ухо воспринимает упругие волны с частотой примерно от 16 до 20000 Г,  частоты данного диапазона называют звуковыми или акустическими.

Демонстрация с помощью звукового генератора всего диапазона звуковых волн.

Устройство слухового аппарата человека (ухо) рассказывает учащийся с демонстрацией рисунка1.

Устройство голосового аппарата человека, рассказывает учащийся, используя рисунок2.

Учитель. Животные в качестве звука воспринимают волны иных частот. (Рисунок3)

Сообщение ученика о голосах в живом мире, голосовые аппараты птиц, млекопитающих, лягушки, насекомых, рыб.
Учениками были записаны на мобильные телефоны  и продемонстрированы голоса птиц, звучание насекомых, кваканье лягушек.

О свойствах звуковых волн делает сообщение учащийся

(отрывок из сообщения ученика «Физика и музыка».)

1. Зависимость высоты звука от частоты колебания.

Самый низкий из слышимых человеком музыкальных звуков имеет частоту 16 колебаний в секунду. Он извлекается органом. Но применяется не часто - очень басовит. Разобрать и понять его трудно. Зато 27 колебаний в секунду-тон вполне ясный для уха, хоть тоже редкий. Услышать его можно, нажав крайнюю левую клавишу рояля.(звуки встречающиеся в рассказе воспроизводится на компьютере). Абсолютный “нижний” рекорд мужского баса, поставленный в ХУIII веке певцом Каспаром Феспером - 44 колебания в секунду. 80 колебаний в секунду - обычная нижняя нота хорошего баса и многих инструментов. Удвоив число колебаний (повысив звук на октаву), приходим к тону, доступному виолончелям, альтам. Здесь отлично чувствуют себя и басы, и баритоны, и тенора, и женские контральто. А еще октава вверх - и мы попадаем в тот участок диапазона, где работают почти все голоса и музыкальные инструменты. Недаром именно в этом районе акустика закрепила всеобщий эталон высоты тона: 440 колебаний в секунду (“ля’ первой октавы). Вплоть до 1000-1200 колебаний в секунду звуковой диапазон полон музыкой. Эти звуки - самые слышные. Выше следуют менее населенные «этажи». Легко взбираются на них лишь скрипки, флейты, орган, рояль, арфа. И полновластными хозяйками выступают звонкие сопрано. Вершины женского голоса забрались еще дальше. В ХУIII веке Моцарт восхищался певицей Лукрецией Аджуяри, которая брала “до” четвертой октавы - 2018 колебаний в секунду. Француженка Мадо Робен (умершая в 1960 году) пела полным голосом “ре” четвертой октавы - 2300 колебаний в секунду.

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

Демонстрация камертонов и опыты с ними. (Рисунок4)

2. Громкость звука.

Звуки даже одного тона могут быть разной громкости. Эта характеристика звука связана с энергией колебаний в источнике и в волне. Энергия колебаний определяется амплитудой колебаний Громкость, следовательно, зависит от амплитуды колебаний. Но связь между громкостью и амплитудой не простая.
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 одни 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.

3. Резонанс.

Звуковые колебания, переносимые звуковой волной, могут служить вынуждающей, периодически изменяющейся силой для колебательных систем и вызывать в этих системах явление резонанса, т.е. заставить их звучать. Такой резонанс называют акустическим резонансом. Например, устройство для получения чистого тона, т.е. звука одной частоты, камертон сам по себе дает очень слабый звук, потому что площадь поверхности колеблющихся ветвей камертона, соприкасающейся с воздухом, мала и в колебательное движение приходит слишком мало частиц воздуха. Поэтому камертон обычно укрепляют на деревянном ящике, подобранном так, чтобы частота его собственных колебаний была равна частоте звука, создаваемого камертоном. Благодаря резонансу стенки ящика тоже начинают колебаться с частотой камертона. Это колебания большой амплитуды (резонанс!), да и площадь поверхности ящика велика, поэтому звук камертона оказывается значительно более громким. Ящик так и называют - резонатор.

Демонстрация звукового резонанса с двумя камертонами.
В музыкальных инструментах без резонаторов тоже нельзя обойтись. Ими служат деки. Без них, от одних струн, звуки были бы почти не слышны.

4. Звук в различных средах.

Звук в различных средах изучается учениками самостоятельно по учебнику, и рассказывается по плану:

А) Звуковые волны в газах.

Скорость звука в газах.

        
Б) Звуковые волны в жидкостях.

Демонстрация опыта усиления звука при опускании колеблющихся ветвей камертона в стакан с водой.

Вопрос классу: «Как объяснить наблюдаемое явление?»

Скорость звука в жидкостях

В) Звуковые волны в твердых телах.

Скорость звука в твердых веществах

Г) Звуковые волны в вакууме

Демонстрация опыта со звонком под колоколом воздушного насоса.

Д) Эхо 

Отражением звука объясняется и эхо. Эхо — это звуковые волны, отраженные от какого-либо препятствия (зданий, холмов, леса и т.п.) и возвратившиеся к своему источнику. Если до нас доходят звуковые волны, последовательно отразившиеся от нескольких препятствий и разделенные интервалом времени t>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 троекратно повторяют 7 слогов, а в замке Вудсток в Англии эхо отчетливо повторяет 17 слогов.
Как человек использует эхо в жизни?

Учитель. Какие же выводы можно сделать по изложенному материалу, из услышанных сообщений и из увиденных опытов?

Выводы:

1. Колебания с частотой от16 до 20000 Гц создают в окружающей среде звуковую волну.
2. Высота звука зависит от частоты колебания.
3. Громкость звука зависит от амплитуды колебания.
4. Скорость звука зависит от свойств среды.
5. Скорость звука зависит от температуры среды.

Закрепление материала в виде решения задач.

1. На расстоянии 1060 м от наблюдателя ударяют молотком по железнодорожному рельсу. Наблюдатель, приложив ухо к рельсу, услышал звук на 3 с раньше, чем он дошел к нем по воздуху. Чему равна скорость звука в стали? Скорость звука в воздухе принять равной 330 м/с.
2. Найти разность фаз между двумя точками звуковой волны, если разность их расстояний от источника составляет 25 см, а частота колебаний 680 Гц. Скорость звука принять равной 340 м/с.
3. Какова глубина моря, если посланный с помощью гидролокатора звуковой сигнал вернулся назад через 0,9 с? Скорость звука в воде считать равной
   1400 м/с.

Д/З.

§ 47 упр. 6 (задачи такого же типа как были решены в классе). К следующему уроку найти  дополнительный материал об ультразвуке и инфразвуке.