Урок-конференция по физике "Колокола, колокола…" по теме "Звуковые волны"

Разделы: Физика

Цели урока-конференции: (Приложение 1) (Слайд 2)

  • расширить познавательный интерес, развить навык умения делать сообщения и подготовки презентаций с использованием компьютера, работы с информацией;
  • продолжить развитие речи, мышления, внимания;
  • обеспечение межпредметных связей;

в) обучающие:

  • повторить физические явления, связанные со звуком, особенности его распространения, понятие акустики.

Тип урока: конференция

Оборудование:

1. Вступительное слово учителя

Ребята, мы с вами заканчиваем изучение темы "Механические волны". Звуковые волны - это вид механических волн. Мы живем в мире звуков. Что такое звук? (Звук - это механическая волна. Человеческое ухо воспринимает как звук только волны с частотой от 20 до 20000 Герц.) Много источников звука нас окружает, и одним из самых благозвучных является колокол.

Колокол - это один из символов Руси, её силы, веры в будущее и памяти о прошлом. (Слайд 3)

Чистый месяц в роще плыл.
Белый стольный град Владимир
Звон неведомый, родимый
Над землёю рассыпал.
Перворожден и силён,
Плыл он, ритмом покоряя,
Плыл, как будто укоряя,
Из Владимирских времён.
И внимал, я - внук славян -
Чуду с гордостью и грустью,
Благосвет летел над Русью,
Новый день благословлял.
А. Пономарев

2. Некоторые исторические сведения. (Слайд 4)

1. О колоколах в России впервые упоминается в летописях 988 г.

2. Колокола помещали в звонницах храма, но очень часто - на специальных сооружениях рядом с церковью - колокольнях (с XIX в.).

3. В Москве до революции 1917 г. насчитывалось примерно 4000 храмов. На их звонницах и колокольнях было по 5-10 колоколов, иногда и больше; для разных случаев - праздник, будни, беда - использовались разные колокола.

4. На колокольне Ивана Великого в Кремле, построенной в 1505-1508 гг. и имеющей высоту 81 м, было 52 колокола (в последствии - 37).

6. Колоколам часто давали имена: Медведь, Реут, Сысой и др.(Слайд 5, 6, 7)

7. Колокола были большие и малые. Масса некоторых больших колоколов такова: Лебедя (сделанного в 1550 г.) - 2200 пудов (36,08 м); Большого Успенского (1654 г.) - 8000 пудов (131,2 м).

8. Звон колокола был голосом Родины. Он воспевал ее силу и красоту, он напоминал о долге перед ней. А если колокол умолкал - это значило, что родину постигло несчастье. Колокола покоренного города были желанными трофеями для победителя. Их срывали с колоколен и звонниц, их разрушали, их переплавляли на пушки и монеты. Большей кары, как лишение колокола, не было для опального города.

9. Колокольный звон был предметом многократного воспроизведения и воспевания в различных областях искусства - литературе, поэзии, живописи, музыке. Отечественные композиторы часто включали колокольный звон в свои произведения: вспомним М. Мусоргского и его оперу "Хованщина", "Борис Годунов", а также оперу М. Глинки "Жизнь за царя", А. Бородина "Князь Игорь", Н. А. Римского-Корсакова - "Сказка о царе Салтане" и "Псковитянка" (для постановки последней Большой театр в начале XX в. приобрел колокол массой 170 пудов)

3. Творческая работа учащихся. (Слайд 8)

Сообщения учащихся об известных российских колоколах

"Царь - колокол" или "Большой Успенский колокол" (Приложение 1)

Рис. 1

"Колокол - Лебедь" (Приложение 2)

(Музыкальная вставка № 7)

4. Что такое колокол. (Слайд 9)

Колокол - это самозвучащий сигнальный музыкальный инструмент".

Такое научное определение дает Энциклопедический словарь.

"Опрокинутая чаша с малиновым звоном" - определение второе, поэтическое; один из древних символов православной Руси, а ныне еще примета ее возрождения - определение третье.

Металлическая чаша, перевернутая вверх дном, внутри которой по центру дна подвешен металлический "язык" (см. рис. 1);

при их взаимном перемещении (например, движение "языка" при помощи веревки) происходит удар о стенку чаши, и та издает звук. Это - четвертое определение - описание.

Рис. 2

5. "Дома", где живут колокола и рождаются звуки.(Слайд 10)

Колокола размещают на колокольнях - специальных башнях с открытым верхним ярусом, стоящим рядом с храмом, или на звонницах - особых надстройках с проемами на самом храме. Колокольня Ивана Великого в Московском Кремле (построенная в 1505 - 1600 гг.)

В их устройстве тоже используется явление резонанса, причем с древних времен. Так, в верхней части колоколен и звонниц, их шатрах (рис. 2, 1) располагаются "слухи" (2) - отверстия (окошечки, убывающие по величине к вершине) для резонанса звука. Размеры отверстий делаются такими, чтобы частота колебаний столба воздуха в них совпадала с частотой звучания колокола, ("звона") (3). Кроме того, в толщу стен барабанов (4) иногда встраивают пустые глиняные кувшины или горшки - "голосники", которые выполняют такую же роль, как и "слухи" (2).

В роли резонатора выступает также просторное и пустое пространство первого этажа звонниц, а в колокольные - весь внушительный по высоте (не в один десяток метров)столб воздуха в ней.

На звонницах и колокольнях размещали обычно сразу несколько колоколов, например на звоннице Ростовской соборной церкви их было 13.

Звон каждого дополняет звучание других, создавая согласие т гармонию звука, неповторимую мелодичность и выразительность. Такая музыкальность обеспечивает еще и тем, что профили колоколов (их форма) несколько отличались друг от друга; как именно - это мастера обыкновенно держали в секрете.

Русские зодчие умело использовали для усиления и создания особенностей распространения звука окружающий ландшафт (вид местности).

Обратимся, например, к Ростовской звоннице, что находится в Ростовской области в городе Ростов Великий; построена она в XVII веке. Звук её колоколов, усиленный в пространстве первого этажа, беспрепятственно устремляется наружу, плавно "переливается" через некрутой склон, на котором возвышается вместе с Ростовским кремлем звонница, и сразу же оказывается в другом "резонаторе", еще более внушительным по размерам - пространстве над гладью озера Неро. Здесь звон колоколов становится особенно мягким и мелодичным.

(Слайд 11)

6. Из чего льют колокола? (Слайд 12)

Многовековой опыт русских мастеров показал, что из всех материалов наилучший для изготовления колоколов - бронза, состав которой: 4 части меди и 1 часть олова (80 и 20% соответственно). Этот сплав слабо рассеивает механическую энергию за период колебания: у бронзы доля рассеяния наименьшая - 0,005; в то время как у меди - 0,0; латуни - 0,01; стали - 0,035.

Другие характеристики бронзы таковы:

Плотность p = 8800 кг/м3;

Модуль Юнга Е = 1,0 * 1011 Н/м2;

Температура плавления tпл = 880 oС;

Твёрдость по Бринеллю 7,5 * 108 Н/м2.

Медь и олово - мягкие материалы, но в сплаве делаются твердыми.

Цвет сплава - серовато-стальной, вид - однородный. В сплаве присутствуют и примеси (этого просто не избежать): наибольшее количество свинца (около 2%), цинка (1,2%), железа (1,2%); но это вредные примеси: так, наличие свинца снижает звонкость и твердость. При литье колоколов важно соблюдать процентное соотношение олова и меди придает колоколу звонкость, но делает бронзу более хрупкой.

7. Звуки колокола (Слайд 13)

Попробуем разобраться, каким образом создается колокольный звук, как мелодия звона связана с размерами, формой колокола, а так же остановимся на том, из какого материала изготавливают колокола, т.е. рассмотрим два вопроса:

  • Акустика колоколов;
  • Из чего льют колокола.

У каждого колокола есть основной тон, соответствующий высоте его звучания, и богатый, характерный только для него набор добавочных тонов - более низких и более высоких. Именно они создают разнообразие тембров, по которым различают голоса колоколов с одинаковой высотой основного тона.

Рассмотрим физический механизм звучания. При ударе языком колокола о стенку бронзовой чаши возникает упругое дрожание, которое представляет собой сумму многих собственных колебаний звуковой частоты. Эти колебания можно сделать видимыми, если перевернуть чашу, залить её водой, насыпать на поверхность воды ровный слой лёгкого порошка, например, ликоподия, и возбудить колебания. Колеблющийся участок борта звучащей чаши отгонит от себя лёгкие частицы. В результате на поверхности воды получатся своеобразные "звёзды". Они вырисовываются при любом уровне воды. Это означает, что стена колеблющегося колокола разделена "меридианами покоя", число которых может быть 4 или 6, или 8, или 10. В те моменты, когда в данном из секторов, стенка "всучивается", в соседних - она в покое.

Но есть и другие виды колебаний колокола. Чтобы представить их, перейдём от объёма к плоскости: мысленно превратим колокол в круглую плоскую металлическую пластину. Закрепим её в центре, насыплем тонкий ровный слой песка и приведём в колебательное движение, проводя по краю пластины смычком. На поверхности пластины образуются песчаные узоры - фигуры Хладни (название дано по имени изучавшего их немецкого учёного Э. Ф. Хладни). ("Фигуры Хладни"; www.SmartVideo.ru). (Слайд 14, 15)

Эксперимент проводят сами учащиеся.(Результат потрясающий, восторг, удивление).

1. Фигуры Хладни на воде

2. Песочные фигуры Хладни

Причина их образования - собственные колебания пластины: колеблющиеся секторы пластины, всучиваясь, стряхивают с себя песок, и он собирается вдоль линий покоя. Каждому сочетанию меридианов и параллелей покоя соответствует своя частота колебаний:более высоким частотам соответствует более дробная сетка линий покоя.

 

Аналогичные эксперименты были проведены с колоколом.Звучащие участки стенок колокола и линий покоя можно обнаружить экспериментально и с помощью резонаторов Гельмгольца.Звучащие участки можно найти на ощупь, если размеры колокола велики и велика амплитуда колебаний.(Слайд 16)

На протяжении многих веков литейщики колоколов искали решение вопросов, какими должны быть пропорции между размерами и массой, толщиной стенок в разных сечениях, какой быть форме колокола, чтобы получить гармоническое звучание, т.е. такое, при котором добавочные тоны (обертоны) гармонично сочетались с основным, создавая единое прекрасное целое. Все практические находки тщательно записывались, составлялись таблицы размеров, масс, состава металла. Эти сведения часто хранились в секрете. Основные таблицы были сделаны в XVI в.Но только в XVIII в. удалось найти такую "правильную" форму колокола, при которой он звучал особенно гармонично.Было сильно расширено основание и наращена нижняя часть, ей придан вид заостренной массивной "губы".Выработался тип русского колокола.В нем диаметр нижней части равен высоте колокола,а диаметр верхней части - половине диаметра нижней части.(Китайский колокол более сжат внизу и дает глухой звук).

В тоже время литейщики пришли выводу, что при таком профиле колокол может давать, совмещая три гармонических тона, но при этом сила трезвучания поглощает добавочные тона.

Несколько слов о "языке" колокола. "Язык" изготовляют из железа.

Масса его обычно составляет 1/25 от массы колокола (для больших колоколов это соотношение меньше).Форма может быть различной:она зависит от способа возбуждения звука - раскачивают ли "язык" или раскачивают колокол; первый способ - русский, второй - западноевропейский.

В начале XX в. по количеству, качеству и величине колоколов, гармонии даваемых ими звук, Россия занимала первое место .

Обратим внимание на явление резонанса.(Слайд 17, 18). Устройство колоколов таково, что его звучание - это дуэт металла и столба воздуха в нем, который приходит в колебательное движение с частотой колебаний стенок колокола, столб должен иметь определенные параметры и ударять по нему надо в определенные моменты.

Благодаря резонансу возрастает амплитуда и энергия звуковой волны и, как следствие, громкость звука.

В звоне (звуке) колокола, т.е. в его звуковом спектре,присутствуют неслышные звуки - ультразвук и инфразвук. Наше ухо не воспринимает их, но человек - биологическая система, и поэтому, так или иначе, отзывается на их воздействие.Не потому ли, когда бьют колокола, в душе возникают ощущение торжественности, причастности к чему-то духовно высокому и светлому, ощущение неразрывной связи со своей родиной, со своим народом, его историей и традициями; или, наоборот, душой овладевают печальные, тревожные чувства?(Слайд 19)

Колокол русский народный,
Колокол храма святой,
Чуден голос свободный,
Люб отголосок мне твой.
Чистые, чудные звуки
Любо душою ловить,
Или тревожные муки
В сердце больном хоронить...

(Прослушивание "Колокольного звона", мелодия № 4).

8. Эпилог. Для нас в колоколах и их звоне воедино слиты и история, и наука, и любовь к Родине, и знания колокольного дела, и песни, и душа народа.

Малиновый звон на заре
Скажи моей милой земле,
Что я в неё с детства влюблён,
Как в этот малиновый звон.
(А.Поперечный)

(Прослушивание песни "Малиновый звон" в исполнении Н.Гнатюка)

9. Рефлексия "Незаконченное предложение". (Слайд 20)

1.  "Сегодня на уроке я понял(а), что..."

2.  "Данный урок позволил мне..."

3.  "Я увидел(а) на уроке..."

4.  "Я рад(а), что на уроке..."

5.  "Я ухожу с урока с чувством..."

6.  "Такой урок интересен тем, что..."

10. Домашнее задание. Повторить тему "Механические колебания и волны, подготовиться к тестированию.

До свидания! Спасибо за урок!

Литература

  1. Учебник физики 10 класс. Авторы: Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Сотский
  2. Волков В.А. Поурочные разработки по физике 10 класс.- Москва: "ВАКО", 2006
  3. Колокола. История и современность. - Москва, 1985

Интернет-сайты:

  1. http://www.SmartVideo.ru
  2. http://www.zvon.ru/zvon4.view5.html