Урок-семинар "Ультразвук и инфразвук"

Плохой учитель преподносит истину, хороший – учит ее находить.

А. Дистервег

Цели урока:

• Обучающие:
  • усвоить следующие элементы неполного опыта учащихся в рамках отдельного урока:
  • инфразвуковые и ультразвуковые  волны, их применение в жизнедеятельности человека.
  • закрепить знания о звуковых волнах.
• Развивающие:
  • формировать научного мировоззрения на основе знаний об ультразвуковых и инфразвуковых  волнах,
  • комплексно решать проблемы на основе знаний математики, физики и информатики;
  • развивать аналитико-синтетическое и образное мышление учащихся,  побуждать учащихся к осмыслению и нахождению причинно-следственных связей.
  • формировать и развивать ключевые компетенции: информационную, организационную,  самоорганизационную,  коммуникационную.
  • при работе в паре  и в группе сформировать такие важные качества и умения школьника, как: желание участвовать в совместной деятельности, уверенность в успехе,  ощущение положительных эмоций от совместной деятельности;
  • умение презентовать себя и свою работу,
  • умение строить деловые отношения в совместной деятельности на уроке (принимать цель совместной деятельности и сопроводительные указания к ней, разделять обязанности, согласовывать способы достижения результа­та предложенной цели);
  • учить анализировать и оценивать полученный опыт взаимодействия.
• Воспитательные:
  • развитие эстетического восприятия материала, используя в презентации оригинальный дизайн и  эффекты анимации;
  • воспитание культуры восприятия теоретического материала с помощью компьютера и приборов для показа получения и применения ультразвуковых и инфразвуковых  и волн;
  • воспитание чувства гордости за свою Родину на основе применения ультразвуковых и инфразвуковых  и волн.

Оборудование: ноутбук, проектор, 2 камертона ля, 1 камертон фа, штатив с муфтой и лапкой, электронная библиотека «Просвещение» диск 1 (7-9класс), материалы из интернета.

План урока:

1. Актуализация знаний
2. Изучение нового материала  
     а) Ультразвуковые  волны: источники и приемники, свойства и применение.
     б) Инфразвуковые  волны: источники и приемники, свойства и применение.
3. Закрепление.
4. Встраивание новых знаний в один из законов диалектики – закона перехода количественных изменений в качественные на примере свойств инфразвуковых, звуковых и ультразвуковых волн.
5. Сверка таблиц с электронным экраном.
6. Задание на дом.

ХОД УРОКА

I. Актуализация знаний

Учитель:  Мы изучаем тему «Звуковые волны» , цели нашего урока на слайде, но сначала мы повторим знания, полученные на прошлом уроке. У нас будет работа в парах. Пары получат вопросы и обсудят их, а затем ответят на них.

Вопросы для работы в парах:

1. Может ли звук распространяться в газах, жидкостях, в твёрдых телах, в вакууме? Приведите примеры.
2. Может ли звук сильного взрыва на Луне быть слышен на Земле? Ответ обоснуйте.
3. Какую волну – продольную или поперечную – представляет собой звук, распространяющийся в воздухе? В воде?
4. Приведите пример, показывающий, что звуковая волна распространяется не мгновенно, а с определённой скоростью?
5. В каком веке и как была измерена скорость звука в воздухе?
6. Чему равна скорость распространения звука в воздухе при 20^оС?
7. В результате чего образуется эхо?
8. Почему эхо не возникает в маленькой, заполненной мебелью комнате, но возникает в большом полупустом зале?
9. Приведите примеры проявления звукового резонанса?
10. Для чего камертоны устанавливают на резонаторных ящиках?
11. Каково назначение резонаторов, применяемых в музыкальных инструментах?
12. От чего зависит громкость звука?
13. От чего зависит высота звука?
14. Что является источником голоса человека?
15. После обсуждения вопросов в парах учащиеся отвечают на поставленные вопросы.

Ответы на вопросы:

1. Звук распространяется во всех упругих телах – твёрдых, жидких и газообразных, но не может распространяться в безвоздушном пространстве. Звук распространяется в воде. Примеры: рыбы слышат шаги и голоса людей на берегу, это хорошо известно рыболовам.

2.  Топот копыт передаётся по Земле и по воздуху.
Опыт: под колокол воздушного насоса помещают будильник и заводят его. Затем начинают откачивать воздух насосом. По мере разрежения воздуха звук становится всё слабее и слабее, а потом совсем исчезает.

3. Звук сильного взрыва на Луне не будет слышен на Земле, так как на Луне нет атмосферы.

4. Звук, распространяющийся в воздухе и в воде, представляет собой продольную волну.

5. Во время грозы мы сперва видим молнию и только через некоторое время слышим гром, так как скорость света 30 000км/с, а скорость звука в воздухе 343 м/с

6. Скорость звука в воздухе впервые довольно точно была определена в 1822г. французскими учёными.
Скорость звука в воде измерили также Ж. Колладон и Я. Штурм в 1826 году. Измерения они проводили на Женевском озере в Швейцарии. К одной лодке был привязан опущенный в воду колокольчик, а к другой – опущенный в воду рупор.  Лодки находились на расстоянии 14 км. На первой лодке били в колокольчик и одновременно поджигали порох, на второй регистрировали время задержки между вспышкой и приходом звука. Скорость распространения звука в воде 1440 м/с  при температуре воды в озере 8^оС.

7. Скорость звука в воздухе при 20^оС равна 340 м/с.

8. Эхо образуется в результате отражения звука от различных преград – стен большого пустого помещения, леса, сводов высокой арки в здании.

9. Образованию эхо в комнате препятствует находящаяся в ней мебель, шторы и другие предметы, частично поглощающие отражённый звук. Поэтому в таком помещении речь людей и другие звуки не искажаются эхом и звучат чётко и разборчиво.

10. Примером проявления звукового резонанса могут служить два камертона с одинаковыми собственными частотами, укреплёнными на резонаторных ящиках и установленными на некотором расстоянии друг от друга. 

11. Для усиления звука камертоны часто устанавливают на так называемых резонаторных ящиках определённых размерах. При звучании камертона в колебание приходит столб воздуха в ящике. Этот столб колеблется в резонанс с колебаниями камертона.

12. В музыкальных инструментах роль резонаторов выполняют части их корпусов. Например, в гитаре, скрипке и других подобных им струнных инструментах резонаторами служат деки.

13. Высота звука зависит от частоты колебаний: чем > ?, тем выше звук.

14. Тембр звука позволяет различать два звука одинаковой высоты и громкости, издаваемых различными инструментами.

15. Источником голоса человека и многих животных являются голосовые связки – своеобразные струны. Под действием воздушной струи, идущей из лёгких, голосовые связки колеблются и издают слабый звук.

II. Изучение нового материала

Учитель: Мы изучили  волны в диапазоне 20 Гц – 20 кГц. На сегодняшнем уроке мы изучим колебания, лежащие за пределами этого диапазона, то есть меньше 20 Гц и больше 20 кГц. Это ультразвуковые и инфразвуковые волны.  Две группы, которые получили опережающие исследовательские задания,  изучали: 1. Инженеры-теоретики – источники и приемники, свойства волн; 2.инженеры-практики – применение волн; координаторы сегодня расскажут нам о своих исследованиях.
Все остальные учащиеся заполняют 2 таблицы.

Ученик 1: (координатор сообщает о всех результатах работы 1 группы)

Механические колебания, происходящие с частотой более 20 000 Гц, называются ультразвуковыми, а с частотой менее 20 Гц – инфразвуковыми. Ультразвуки и инфразвуки не воспринимаются человеческим ухом, т.е. мы просто не слышим их. Ультразвуки излучают и воспринимают живые существа на суше, в воздухе и в воде и используют для своих «переговоров».

1. Собаки, воспринимают ультразвуки с частотой до 40 кГц. Этим пользуются дрессировщики, чтобы подавать собаке команды, не слышимые людьми.

2. Крохотные веслоногие рачки создают ультразвуковые волны, потирая лапку о лапку. Установленные в море приёмники ультразвука обнаруживают его при появлении «плавающих островов» планктона.

3. Летучие мыши способны издавать и воспринимать ультразвуковые волны. Излучённые самой мышью ультразвуковые волны отражаются от препятствий и от различных насекомых и улавливаются мышью (у летучих мышей большие уши). По тому, оттуда пришла отражённая волна, мышь автоматически оценивает, в каком направлении от неё находится препятствие. Это позволяет ей отлично ориентироваться и находить добычу.

4. Подобным образом пользуются ультразвуком дельфины, глубоководные рыбы и некоторые другие живые существа.

Ультразвуковые волны обладают всеми свойствами звуковых волн: распространение, отражение, преломление, поглощение, интерференция, обладают большой проникающей способностью. Применяются  ультразвуковые волны в эхолокации, дефектоскопии, медицине (УЗИ внутренних органов – диагностика и лечение).

Эхолокация

Ультразвуковую волну можно получить в заданном направлении, т.к. узкий параллельный пучок ультразвуковых волн в процессе распространения очень мало расширяется.
Направленные узкие пучки ультразвука применяются, в частности, для измерения глубины моря. Для этой цели на дне судна помещают излучатель и приемник ультразвука.
Излучатель дает короткие сигналы, которые посылаются по направлению ко дну. При этом время отправления каждого сигнала регистрируется прибором. Отражаясь от дна моря, ультразвуковой сигнал через некоторое время достигает приемника.
Момент приема сигнала тоже регистрируется. Таким образом, за время t, которое проходит с момента отправления сигнала до момента его приема, сигнала, распространяющийся со скоростью v, проходит путь, равный удвоенной глубине моря, т.е. 2h: Отсюда легко вычислить глубину моря:    2h = vt,   h = vt/2 Описанный метод определения расстояния до объекта называется эхолокацией.

Ультразвуковая дефектоскопия

Ультразвук применяется для обнаружения в литых деталях различных дефектов –трещин, воздушных полостей и т.д. Этот метод называется ультразвуковой дефектоскопией. Он заключается в том, что на исследуемую деталь направляется поток коротких ультразвуковых сигналов, которые отражаются от находящихся внутри нее неоднородностей и, возвращаясь, попадают в приемник. В тех местах, где дефектов нет, сигналы проходят сквозь деталь без существенного отражения и соответственно не регистрируются приемником.

Ультразвук широко используется в медицине для постановки диагноза и лечения некоторых заболеваний. Диагностические ультразвуковые исследования (УЗИ) позволяют без хирургического вмешательства распознать патологические изменения органов и тканей. Эти исследования основаны на свойстве ультразвуковых волн с частотой от 0,5 до 15 МГц проходить через ткани организма, частично отражаясь от всех поверхностей, представляющих собой границы  тканей разного состава и плотности.

Ультразвуковая терапия основана на том, что ультразвуковые волны определённых частот оказывают механическое, тепловое, физико-химическое воздействие на ткани, в результате чего в организме активизируются обменные процессы и реакции иммунитета.

Ученик 2 (координатор рассказывает о результатах работы 2 группы)

Инфразвук иногда порождается морем, в этом случае его называют «голос моря», образуется он обычно во время шторма в результате периодических сжатий и разрежений воды.
Инфразвуковая волна распространяется в воде в 5 раз быстрее, чем в воздухе. Поэтому медузы, ракообразные, морские блохи и другие, способные воспринимать «голос моря», задолго до наступления шторма чувствуют его приближение.

Инфразвук мало поглощается воздухом и водой, поэтому инфразвуковая волна распространяется на несколько сотен километров. Отсюда использование инфразвук

SOS.

Голландское судно «Ураган Медан», проходя Малаккский пролив, внезапно подало сигнал бедствия: три точки, три тире, три точки…Отчаянный призыв «SOS» раздавался в течение минуты.

Спасателям понадобилось немного времени, чтобы разыскать «Ураган Медан».   Никаких следов повреждения на судне не обнаружено. Но вся команда была мертва.

Инфразвуковое оружие.

Специфическое воздействие инфразвука на человека натолкнуло на мысль создать инфразвуковое оружие. Один из вариантов – возможность сооружения мобильных инфразвуковых «прожекторов», которые будут создавать в атмосфере акустические волны способные повреждать зрение, вызывать тошноту, страх, смятение

Собственные (резонансные) частоты некоторых частей тела человека

20-30 Гц (резонанс головы)
4-6 Гц (резонанс сердца)
2-5 Гц (резонанс рук)
40-100 Гц (резонанс глаз)
0.5-13 Гц (резонанс вестибулярного
аппарата)
2-3 Гц (резонанс желудка) 
2-4 Гц (резонанс кишечника) 
6-8 Гц (резонанс почек)

Применение инфразвука имеет большое значение в военном деле. Улавливая его приборами, весьма точно определяют место, откуда действует дальнобойная артиллерия.  

Используют инфразвук и в рыболовецком промысле. Рыболовецкие суда, оснащённые соответствующими приёмными установками, могут быстро находить стаи рыб, издающие инфразвук или отражающие его.

III. Закрепление

Учитель: Мы  с помощью координаторов и экрана изучили  ультразвуковые и инфразвуковые волны, а теперь закрепим эти знания.

Вопросы:

1.Расскажите об источниках ультразвуковых волн.
2. Расскажите о свойствах ультразвуковых волн.
3. Расскажите о применении ультразвуковых волн.
4. Расскажите об источниках инфразвуковых волн.
5. Расскажите о свойствах инфразвуковых волн.
6. Расскажите о применении инфразвуковых волн.
7. Сравните свойства инфразвуковых, звуковых и ультразвуковых волн.
8. Расскажите о применении ультразвуковых волн, основанном   на проникающем  свойстве их.

IV. Встраивание новых знаний в один из законов диалектики – закона перехода количественных изменений в качественные на примере свойств инфразвуковых, звуковых и ультразвуковых волн.

Учитель: На примере свойств и применения инфразвуковых, звуковых и ультразвуковых волн подтверждается один из законов диалектики – закон перехода количественных изменений в качественные: свойство ультразвука  (проникающая способность)
используется в медицине.

V. Сверка таблиц с электронным экраном

VI. Домашнее задание, как полноценный этап урока сочетает в себе инструктирование, обобщение и рефлексию.

1. Записи в тетрадях – рассказы по таблице.
2. Учебник 2003г.(пар.41) Напоминаю правила работы с текстом.
3. Творческое задание. Найти в интернете видеоролики и видеофильмы об ультразвуковых и инфразвуковых волнах. Ваша работа будет храниться в школьной медиатеке.

Приложение 1