Интегрированный урок (физика + биология) по теме "Звук". 9-й класс

Творческое название: «Звук вокруг».

Тема: Распространение звука. Скорость звука. Высота, тембр и громкость звука.

Цели урока:

• Повторить строение и функции органов слуха и речи.
• Изучить физические характеристики звука: высота, тембр, громкость.
• Рассмотреть особенности распространения звуковых волн в различных средах.

Тип урока: комбинированный.

Продолжительность: 2 урока.

Учитель биологии Никанорова Т.В.

Учитель физики Уварова С.В.

ХОД УРОКА

Волшебный мир звуков

Как хорошо, что мне дано судьбою
Услышать голос мамы, шум прибоя,
И трели соловьиной перелив,
И музыки чарующей мотив.
И можно мне на миг остановиться
И тишиной природы насладиться.
Но в этой тишине услышу я:
Шуршание листвы, простой напев дождя.
Пусть эхо многократно повторит,
Что каждый здесь судьбу благословит!

Учитель физики. Мир наполнен самыми разнообразными звуками: тиканьем часов и гулом моторов, шелестом листьев и завыванием ветра, пением птиц и голосами людей. Звук – это то, что мы слышим. О том, как рождаются звуки, и что они собой представляют, люди начали догадываться очень давно. Заметили, к примеру, что звук создают вибрирующие в воздухе тела.

• Какова физическая природа звука?
• Каким общим свойством обладают все источники звука?
• С помощью какого органа мы воспринимаем звук?

Учитель биологии. С помощью чего человек воспринимает звук? Слуховой аппарат имеет небольшие размеры и располагается в черепе, что хорошо защищает его от повреждений.

Видеофрагмент по биологии №1. (Рисунок 1, Фото 1). [7]

Просмотрите материал и ответьте на вопросы по строению органа слуха.

1. Из каких частей состоит орган слуха?
2. Из каких структур состоит наружное ухо? Какая среда в наружном ухе?
3. Из каких структур состоит среднее ухо? Какая среда в среднем ухе?
4. Из каких структур состоит внутренне ухо? Какая среда во внутреннем ухе?
5. В чем значение ушной раковины?
6. В чем значение слухового прохода?
7. Какая структура переводит звуковые волны в механические колебания?
8. Под действием чего вибрирует барабанная перепонка?
9. Куда передает колебания барабанная перепонка?
10. На какую структуру передает колебания стремечко?
11. Благодаря чему колеблется жидкость внутреннего уха?
12. Какие элементы воспринимают колебания жидкости внутреннего уха?
13. Какие элементы переводят механические колебания жидкости в нервный импульс?
14. Какой орган организма человека распознает звуки?

Вывод: В каждом отделе органа слуха своя среда. Благодаря работе органа слуха звук переводится в нервный импульс и передается на слуховой нерв. По слуховому нерву нервный импульс переводится в слуховую зону коры больших полушарий головного мозга.

Учитель физики. Звуки, воспринимаемые человеческим ухом, являются одним из важнейших источников информации об окружающем мире. Ещё древнегреческий учёный Аристотель, исходя из наблюдений, верно, объяснял природу звука, полагая, что звучащее тело создаёт попеременное сжатие и разрежение воздуха.
В большинстве голливудских фантастических фильмов космические сражения сопровождаются страшным грохотом. Может ли он возникать на самом деле?
Что же необходимо для распространения звука? (упругая среда). То, что воздух – «проводник» звука, было доказано опытом, поставленным в 1660 г. Р. Бойлем.

Опыт № 1 (с воздушным колоколом). (Фото 2)

Под колокол воздушного насоса помещаем звонок и включаем его. Затем начинаем откачивать воздух насосом. По мере разрежения воздуха звук становится слышен всё слабее и слабее. Когда же воздух снова начинают впускать под колокол, то звук звонка опять становится слышимым.

Вывод: Колебания источника звука вызывают в воздухе волны сжатия и разрежения. Между источником звука и ухом, воспринимающим звук, находится какая-то среда, обладающая упругостью, чаще всего воздух.
В вакууме звуковые волны не распространяются, так как там нет частиц, передающих взаимодействие от источника колебаний.
Звук может распространяться в жидкой и твёрдой среде. Тот, кто нырял в реку или море, знает, что под водой хорошо слышны звуки гребных винтов теплоходов, удары камней и др. Звук движущегося поезда хорошо слышен, если приложить ухо к рельсу. По земле хорошо передаётся звук от удара копыт бегущей лошади.
Перед Куликовской битвой князь Дмитрий Донской выехал на разведку и, приложив ухо к земле, услышал конский топот: приближалась вражеская конница. В этом случае звуковые волны распространялись по земле.
Опыты показывают, что различные твёрдые тела проводят звук по-разному. Упругие тела – хорошие проводники звука. Мягкие и пористые тела – плохие проводники звука.

Учитель биологии. Опыты показывают, что различные твердые тела проводят звук по-разному. Упругие тела – хорошие проводники звука. Мягкие и пористые – плохие проводники звука. Человек помимо воздушного звукопроведения имеет местное костное звукопроведение. С помощью опыта мы сейчас докажем данное ранее утверждение.

Опыт № 2 (Костная и воздушная проводимость звука.) (Фото 3)

Прикладываем ножку, звучащего камертона к темени учащегося. Как только звук перестаёт быть слышен, приближаем камертон к наружному слуховому проходу. Звук вновь становится слышен.

Учитель физики. Звук может распространяться в виде продольных и поперечных волн. В газообразной и жидкой среде возникают только продольные волны. В твёрдых телах помимо продольных возникают также и поперечные волны.
Звуковые волны, как и все другие волны, распространяются с конечной скоростью, которую называют скоростью звука, то есть для распространения колебаний от источника нужно определённое время.
Скорость звука в различных средах отличается в десятки раз. Например, скорость звука в воздухе – около 330-340 м/с (разброс значений связан с тем, что эта скорость немного увеличивается с повышением температуры). В воде скорость звука составляет 1500 м/с, а в стали – 5000-6000 м/с.

Скорость звука зависит от упругих свойств среды, в которой распространяется звук, и от температуры среды.

Таблица №1. (скорости звука)

Задача №1. Скорость звука в воде впервые была измерена на Женевском озере в Швейцарии. На одной лодке поджигали порох и одновременно ударяли в подводный колокол. Другая лодка находилась в 14 км от первой. Звук улавливался с помощью рупора, опущенного в воду. Разность времени между вспышками света и приходом звукового сигнала составила 10 с. Рассчитайте скорость звука в воде. У любой волны есть источник излучения волн. Источником звука в газах и жидкостях могут быть не только вибрирующие тела. Например, свистят в полете, пуля и стрела, завывает ветер. Стремительно несущееся в воздухе или в воде тело как бы разрывает обтекающий его поток, периодически порождает в среде области разрежения и сжатия, в результате возникают звуковые волны.
Что же является источником звука у человека?

Учитель биологии. Что является источником звука у человека?

Видеофрагмент по биологии № 2. (Рисунок 2). [7]

Вспомним строение гортани, просмотрев следующий фрагмент.

1. Как определить дышит человек, или разговаривает с помощью положения голосовых связок?
2. Что заставляет вибрировать голосовые связки?

Значит, для того чтобы образовался звук необходимо, чтобы звуковые связки были сомкнуты, и через них проходил поток воздуха.
У детей и женщин голосовые связки короткие, а мужчин длинные.
Звуки, образуемые гортанью, усиливаются резонаторами – околоносовыми пазухами: гайморовой и фронтальной (лобной). Под влиянием воздушной струи стенки этих полостей немного вибрируют, вследствие чего звук усиливается и приобретает дополнительные оттенки. У всех людей форма голосовых связок и околоносовых пазух различна.

Учитель физики. Итак, мы вспомнили: что является источником, потребителем звука, что необходимо для передачи звука и с какими скоростями он распространяется. Но любой физический процесс характеризуется какими-либо величинами. Во-первых, на какие группы мы разделили все звуки? (шумы и музыкальные звуки)
Музыкальный звук характеризуется тремя качествами: высотой, громкостью и тембром – окраской звука.
Рассмотрим каждую величину подробно.

Высота звука

Как известно, бас поёт низким голосом, а тенор – высоким. От какой же характеристики звуковой волны зависит высота звука? Опыты показывают, что высота звука определяется частотой звуковой волны: чем больше частота волны, тем звук выше. Например, колебания голосовых связок певцов могут создавать звуки в диапазоне от 80 до 1400 Гц.

Опыт №3 (с камертоном, зависимость высоты звука от длины ножек). (Фото 4)

Человеческое ухо неодинаково восприимчиво к звукам разной частоты. Лучше всего оно воспринимает частоты от 1000 до 4000 Гц.

Видеофрагмент по физике № 1. (Фото 5, фото 6). [8]

Учитель биологии. Мы с вами выяснили, что длина голосовых связок у разных полов различна. Почему высота голоса у детей и женщин выше? Ответ подтвердите с помощью физических формул.

Тембр

Всякий реальный звук, будь то голос человека или игра музыкального инструмента, - это не просто гармоническое колебание, а своевременная смесь многих гармонических колебаний с определённым набором частот. То из них, которое имеет наиболее низкую частоту, называется основным тоном, другие – обертонами. Разное количество обертонов, присущих тому или иному звуку, придаёт ему особую окраску – тембр. Отличие одного тембра от другого обусловлено не только числом, но и интенсивностью обертонов, сопровождающих звучание основного тона.

Учитель биологии. Почему мы узнаем голоса знакомых и родных людей? Со строением, каких структур это связано?

Громкость

Видеофрагмент по физике №2. [8]

Опыт №4 (с камертоном).

Меняя силу удара по камертону молоточком, мы будем слышать звуки, отличающиеся по громкости. Но мы знаем, что, чем сильнее мы ударяем, тем больше амплитуда колебаний ножек камертона. Значит, громкость звука определяется амплитудой звуковой волны.
Единицей измерения громкости является децибел (дБ).

Транспортные средства создают шум, дБ

 

Учитель биологии. А при длительном воздействии такого звука происходит, во-первых, необратимое ухудшения слуха в результате потери эластичности барабанной перепонки. Особую опасность представляют плееры и дискотеки для подростков. Ученые пришли к выводу, что каждый пятый подросток плохо слышит. Причина – злоупотребление переносными плеерами и долгое пребывание на дискотеках. Обычно уровень шума на дискотеках составляет 80-100дБ, что сравнимо с уровнем шума взлетающего самолета. Громкость звука плеера составляет 100-114 дБ. Почти также оглушительно работает отбойный молоток. Здоровые барабанные перепонки без ущерба могут переносить громкость плеера в 110 дБ максимум в течение 1,5 мин. Ученые отмечают, что нарушения слуха в наш век активно распространяются среди молодых людей; с возрастом они, скорее всего будут вынуждены пользоваться слуховыми аппаратами. А во-вторых, ухудшается деятельность организма, потому что когда звук нарастает, организм производит много гормонов стресса, например, адреналин. При этом сужаются кровеносные сосуды, замедляется работа кишечника. В дальнейшем все это может привести к нарушениям работы сердца и кровообращения. Эти перегрузки причина каждого, по крайней мере, десятого инфаркта.

1. Почему мы не воспринимаем как звук те колебания воздуха, которые создаются крыльями, пролетающей птицы?
2. При стрельбе, при взрыве рекомендуется открывать рот. Почему?
3. Ритмические колебания жидкости в улитке уха, возникающие под влиянием музыки, рефлекторно повышают тонус мышц. Почему под музыку приятно идти, делать гимнастику, танцевать?
4. На одном из ленинградских заводов имел место такой случай. Один кузнец в обеденный перерыв захотел отдохнуть и улегся на стенку кузнечного пресса. Его товарищ решил пошутить и напугать спящего. Он забрался под станину и что было силы ударил по ней молотком. Шутка окончилась плачевно – спящий кузнец оглох.

– В чем причина внезапно наступившей глухоты?
– Каков ее механизм?
Давайте подумаем, каким путем звуковая волна достигает внутреннего уха, какие изменения она при этом претерпевает.
Чтобы провести звук дальше барабанной перепонке, что создала природа? (цепочку из трех косточек) Это механизм, где молоточек и наковальня – рычаги, а стремя – своеобразный поршень. Все эти косточки связаны между собой и поддерживаются на весу 2 мышцами. Одна соединена с барабанной перепонкой, другая со стременем.
При громких звуках, перегружающих улитку и внутреннее ухо, мышцы натягивают косточки, мешая им свободно колебаться, что сдерживают силу волны, защищая слуховой аппарат от травмы. Когда же звуки тихие, мышцы «раскачивают» косточки и тем самым усиливают сигналы. Звуковая волна, проходя систему среднего уха, многократно усиливаются.
Помимо воздушного звукопроведения также имеет место костное. При костном проведении звуковая волна идет через костные балки затылочной, теменной или височной кости, передаются непосредственно через лабиринт (минуя систему среднего уха) и на его рецепторы.
Природой не предусмотрена передача звуковых колебаний через кость, а значит, не предусмотрена система защиты. Звуковые колебания от сильного удара молотка передались по железной станине кузнечного пресса на затылочную и височную кости спящего человека – непосредственно на лабиринт и вследствие акустической травмы погибли звуковоспринимающие клетки.

Учитель физики. Русский учёный Николай Алексеевич Умов связал кинетическую энергию волны с мерой интенсивности, или, как ещё говорят, с силой звука. С этим связано понятие«порог слышимости». Для разных людей порог слышимости неодинаков: как правило, с возрастом он увеличивается
Энергия, которую переносят обычно звуковые волны, очень мала. Подсчитано, например, что если бы стакан с водой полностью поглощал всю падающую на него энергию звуковой волны с уровнем громкости в 70 децибел (громкая речь) и был бы полностью теплоизолирован от окружающей среды, то для того, нагреть воду от комнатной температуры до кипения, потребовалось бы время порядка 30 тысяч лет.
Любой человек не только слышит звук, но и воспринимает его, причём и на генном, даже на клеточном уровне. Правильно подобранные звуковые колебания способны активизировать возможности человеческого организма. Так, различные культуры веками оттачивали обрядовую музыку. Лучшие хоровые народные песни – это выверенные психотерапевтические программы, найденные нашими предками интуитивно. Звукотерапия – новый и пока ещё не очень распространённый в России метод профилактики многих заболеваний. Но, например, в Германии «Музыка акустического резонанса» признана лечебной и распространяется через аптечную сеть.
Платон считал, что сила государства зависит от того, какую музыку слушает народ. Он предостерегал от использования хаотических и грубых ритмов. Аристотель смог правильно описать музыкальные лады, ведущие к изменению психики человека. Какую же музыку предпочитают сейчас ваши ровесники?
Шекспир как-то заметил: «Лёгкая мелодия – самый лучший утешитель для возбуждённой фантазии и лекарство для мозга». Сегодня уже научно доказано, что одной музыкой можно исцелять, а другой – убивать.
Все мы разные по характеру. Немецкий учёный Кирхер доказал, что «меланхолики любят серьёзную, грустную, непрерывающуюся гармонию, сангвиники, благодаря лёгкой возбудимости, всегда привлекаются танцевальным стилем, а холериков танцы могут привести к воспалению желчи, флегматиков же трогают тонкие нежные голоса». Но для каждого из нас обязательно найдётся множество прекрасных музыкальных произведений, улучшающих наше физическое и эмоциональное состояние.

Институты музыкальной терапии действуют в 15 странах, в том числе в Англии, Франции, Германии, США. В России звукотерапия широко практикуется в Центральной поликлинике медицинской реабилитации МЧС России.

Вывод и закрепление материала

Задачи и вопросы из сборника задач Рымкевич А.П.

Домашнее задание: § 35, 36, 37, 38.

Информационные ресурсы:

1. Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика. Механика 10. М: «Просвещение» 2001
2. Кирик Л.А. Физика 9 класс. Методические материалы. – М.: ООО «Илекса», 2003.
3. Пёрышкин А.В., Е.М. Гутник Физика 9 класс. М: «Дрофа» 2004.
4. Пепеляева О.В., Сунцова И.В. Поурочные разработки к учебным комплектам «Биология. Человек», 8 (9) класс, Д.В. Колесова, Р.Д. Маша, И.Н. Беляева; А.С. Батуева и др.; А.Г. Драгомилова, Р.Д. Маша. – М.: ВАКО, 2005.
5. Шуваева Е. Волшебный мир звуков. Физика № 17/07.
6. Я иду на урок биологии: Человек и его здоровье: Книга для учителя. – М.: Издательство «Первое сентября», 2000.
7. DK Новый диск Интерактивная энциклопедия. Мое тело. Анатомия и физиология человека. М: ЗАО «Новый диск», © Dorling Kindersley. 1997-2006.
8. 1С: Школа. Физика, 7 – 11 классы. Библиотека наглядных пособий. © ООО «Дрофа» 2004.