Звук. Параметры звуковых колебаний. Влияние звуковых колебаний на человека

Технологическая карта занятия

Тип занятия: Комбинированный урок.

Вид занятия: Урок-лекция, с элементами видео-урока.

Образовательная цель:

• освоение системы знаний о свойствах и применении звуковых колебаний;
• изучить механизм слуха человека;
• рассмотреть влияние ритмических колебаний на организм человека.

Воспитательная цель:

• воспитывать чувство коммуникабельности;
• развитие навыков работы с информацией.

Развивающая цель:

• развитие внимания, логического мышления;
• развитие познавательных интересов, интеллектуальных и творческих способностей учащихся.

Межпредметные связи: биология, экология, математика.

Обеспечение занятия:

Средства наглядности, ТСО:

• компьютерная презентация к уроку;
• видеофрагмент “Влияние музыки”;
• труба Рубенса;
• камертон;
• гитара.

Оборудование к уроку:

Технические средства обучения:

• компьютер;
• мультимедийный проектор, экран.

Ход урока

Слайд 1. Раздел физики, в котором изучаются звуковые явления, называется акустикой.

(Демонстрируются возникновение звуковых волн с помощью музыкальных инструментов, звукового генератора и др.)

Слайд 2. Основой процессов создания, распространения и восприятия звука являются механические колебания упругих тел:

— создание звука — определяется колебаниями струн, пластин, мембран, столбов воздуха и других элементов музыкальных инструментов, а также диафрагм громкоговорителей и прочих упругих тел;

— распространение звука — зависит от механических колебаний частиц среды (воздуха, воды, дерева, металла и др.);

— восприятие звука — начинается с механических колебаний барабанной перепонки в слуховом аппарате, и только после этого происходит сложный процесс обработки информации в различных отделах слуховой системы.

Слайд 3. Реальные источники звука — музыкальные инструменты, голос, громкоговорители, источники шума (например, транспорт и др.) — создают вокруг себя в окружающей среде звуковые поля сложной структуры, т. е. в пространстве происходит распространение звуковых волн (зон сжатия и разрежения); следовательно, в каждой точке среды изменяется во времени плотность и звуковое давление (интенсивность).

Звуковые волны, передающие энергию и информацию от источника сигнала, называются акустическими, или звуковыми сигналами.

Слайд 4. Если в любой точке звукового поля поставить измерительный прибор (например, микрофон), то можно получить зависимость мгновенного изменения звукового давления от времени для данной точки среды. Эта зависимость называется осциллограммой.

Слайд 5. Частотный диапазон определяет, в какой области частот сосредоточена основная энергия акустического сигнала, создаваемая музыкальным инструментом или голосом Частотный диапазон является важнейшим параметром, определяющим качество звучания музыкальных инструментов, певческого голоса и всех видов электроакустической аппаратуры. Поскольку не существует четких критериев для определения частотного диапазона, его устанавливают с помощью кривых распределения уровней спектральной плотности звуковых сигналов на основе слуховых оценок. Принято считать, что если ограничения по частоте распределения спектральных уровней сигнала становятся заметны на слух для более чем 75% слушателей, то такие границы определяют частотный диапазон данного источника сигналов.

Слайд 6. Но как звук доходит до нас? Очевидно, через воздух, который разделяет ухо и источник звука. 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.

То, что воздух — “проводник” звука, было доказано опытом, поставленным в 1660 г. Р.Бойлем. Если откачать воздух из-под колокола воздушного насоса, то мы не услышим звучания находящегося там электрического звонка. В вакууме звуковые волны не распространяются.

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.

Слайд 7. 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.

Слайд 8. Об одних звуках говорят, что они низкого тона, другие мы называем звуками высокого тона. Частота колебаний в звуковой волне определяет тон звука.

Звуки даже одного тона могут быть разной громкости. 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. 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.

Слайд 9. 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.

Как и всякая волна, звуковая волна характеризуется скоростью распространения колебаний в ней. С длиной волны и частотой колебаний v, скорость V связана уже известной нам формулой: V= v.

Слайд 10. Скорость звука различна в различных средах. Так, в воздухе при температуре 20 °С скорость звуковых волн равна 340 м/с. В других средах она может быть иной.

Слайд 11 (Видео озвучено). Шелест листвы, шум дождя, музыка, голоса – трудно представить себе жизнь, лишенную звуков. Звуки окружали человека и информировали его об окружающем пространстве. На основании врождённого и приобретённого опыта, человек воспринимает звуки по-разному. Например, высокий визг был сигналом тревоги. В то же время были успокаивающие звуки – рокот ручья, свист ветра.

Шум естественной окружающей среды является таким же нормальным и необходимым фактором, как солнечный свет, вода, земное магнитное поле. Человеческому уху доступна лишь небольшая часть колебаний, существующих в природе. “Официально” к слышимому звуку причислены механические колебания с частотой от 16 до 20000 герц. Звуки с частотой ниже 16 герц – это инфразвуки, а те, у которых частота выше 20000 герц, называют ультразвуками.

Звуковые колебания воспринимаются либо через органы слуха, передающие полученную информацию в особые участки мозга, либо колебания определённой частоты напрямую воздействуют на функционирование отдельных органов и организм в целом. В первом случае мозг, в зависимости от полученной информации, направляет органам сигналы, возникающие под её влиянием. Во втором случае механизм воздействия звуковых колебаний следующий. Каждый орган работает в своём особом режиме, биоритмы работы любого здорового органа лежат в определённом диапазоне частот, общем для подавляющего большинства людей. Например, частота работы сердца и гладкой мускулатуры внутренних органов близка к 7 Гц. Альфа-режим работы мозга – 4–6 Гц. Бета-режим – 20–30 Гц. При совпадении или приближении частоты звукового колебания к частоте биоритмов того или иного органа возникает хорошо известное всем явление резонанса (усиление колебаний) или антирезонанса (подавление колебаний). Возможны также случаи так называемого неполного резонанса (частичного совпадения колебаний). Орган начинает работать в непривычном и дисгармоничном для него ритме, что может привести к развитию патологии, как этого органа, так и всего организма в целом.

В наши дни музыка является не только источником удовольствия и развлечения, но и работой, сферой деловых интересов. Одно из направлений биологии - биомузыкология выявляет, как звуки воздействуют на живой организм. Многие исследования посвящены проблемам воздействия музыки на мозг ребенка в период беременности матери, после рождения, во время обучения, а также при разных душевных состояниях.

Нельзя забывать и о том, что музыка и любой звук вообще действуют не только как факторы физические, – то есть как определённой частоты колебания, – но и содержат (или, по крайней мере, предполагается, что содержат) своеобразный психоэмоциональный ассоциативный ряд.

Многие древнейшие учения содержат в себе различные yтвеpждения и опыт, накопленный тысячелетиями, воздействия музыки на животных, растения и человека. В древности выделяли 3 направления влияния музыки на человеческий организм:

1) на дyховнyю сущность человека;

2) на интеллект;

3) на физическое тело.

Низкочастотные ритмические колебания (количестве ударов (тактов) в минуту) в музыкальных произведениях оказывают существенное влияние на биоритмику человеческого организма. Так, ритм вальса составляет около 50-80 ударов в минуту, иными словами около 1 Гц. Музыка, предназначенная для релаксации и медитации, имеет гораздо более медленный ритм. Рок-н-ролл и родственные ему музыкальные формы имеют около 120 ударов в минуту, то есть около 2 Гц. Впрочем, в последнее время всё большее распространение получают музыкальные направления, где частота ударов в минуту достигает 240, то есть приближается к 4 Гц.

Еще в глубокой древности было известно, что звуковые колебания способны оказывать эффективное лечебное или болезнетворное воздействие на человеческий организм и психику. Пифагор, которого, помимо прочих лестных титулов, называют “первым музыкотерапевтом”, создал целую методику такой терапии и успешно применял её.

Одной из самых страшных, в Средние Века, считалась казнь “под колоколом”, когда приговоренного помещали под большой колокол и ударяли в него. Ещё одним пугающим примером использования звуковых, точнее, ритмических колебаний была широко известная казнь с использованием капающей на голову или рядом воды.

Еще в XIX веке ученый И. Догель установил, что под воздействием музыки меняются кровяное давление, частота сокращений сердечной мышцы, ритм и глубина дыхания, как y животных, так и y человека. Известный pyсский хиpypг, академик Б. Петровский использовал мyзыкy во время сложных операций: согласно его наблюдениям под воздействием музыки организм начинает работать более гармонично. Уже давно известно, что звуки колокола, содержащие в себе резонансное yльтpазвyковое излучение, за считанные секунды убивают тифозные палочки, возбудителей желтухи и виpyсы гриппа, что под воздействием определенных типов музыки yскоpяет свое движение протоплазма клеток растений и многое дpyгое.

Слайд 12. Джон Ле Конт (John Le Conte) открыл чувствительность пламени к звуку в 1858 году. В 1862 году Рудольф Кёниг показал, что высоту пламени можно менять, посылая звук в источник газа, и изменения во времени могут быть отображены при помощи вращающихся зеркал. Август Кундт в 1866 году, продемонстрировал акустические стоячие волны, помещая семена плауна или корковую пыль в трубу. Когда в трубу был запущен звук, то из семян сформировались узлы (точки, где амплитуда минимальна) и пучности (анти-узлы - области, где амплитуда максимальна), сформированные стоячей волной. Позже, уже в XX веке, Бен (Behn) показал, что маленькое пламя может служить чувствительным индикатором давления. Наконец, в 1904 году, используя эти два важных эксперимента, Генрих Рубенс, в чью честь назвали этот эксперимент, взял 4-метровую трубу, просверлил в ней 200 маленьких отверстий с шагом 2 см и заполнил её горючим газом. После поджигания пламени (высота огоньков примерно одинакова по всей длине трубы), он заметил, что звук, подведённый к концу трубы, создаёт стоячую волну с длиной волны, эквивалентной длине волны подводимого звука.

Слайд 13 (Видео озвучено). Студенты нашего колледжа собрали трубу Рубенса. Давайте “посмотрим” как выглядит музыка...

Мы с Вами рассмотрели процесс создания, параметры и воздействие звуковых колебаний на организм человека. Ответьте, пожалуйста, на вопросы по пройденному материалу:

• Что изучает акустика?
• От чего зависит громкость звука?
• Какой тип волны представляет собой звуковая волна?
• Какие частоты граничные для органов слуха человека?
• Какую музыку Вы слушаете?
• Как, по Вашему мнению, влияет музыка, которою Вы слушаете на Вас?
• Как влияет музыка на физиологические процессы в организме человека?

Ученые, проводя многочисленные исследования и эксперименты, пришли к убеждению, что некоторые мелодии действительно обладают сильным терапевтическим эффектом. Например:

• От алкоголизма и курения излечивают: “Аве Мария” Шуберта, “Лунная соната” Бетховена, “Лебедь” Сен-Санса, “Метель” Свиридова.
• Помогает снять стресс романтическая, создающая ощущение свободного пространства музыка: Шуберта, Шумана, Чайковского, Листа.
• Чтобы избежать переутомления, слушайте: “Утро” Грига, романс “Вечерний звон”, “Времена года” Чайковского.
• Нормализует сон и работу мозга сюита “Пер Гюнт” Грига.
• Развитию умственных способностей у детей способствует музыка Моцарта.
• Творческий подъем стимулируют: “Марш” Дунаевского из кинофильма “Цирк”, “Болеро” Равеля, “Танец с саблями” Хачатуряна.
• В качестве лекарства от мигрени японские врачи предлагают: “Весеннюю песню” Мендельсона, “Юморески” Дворжака, а также изрядную дозу Джорджа Гершвина (“Американец в Париже”).
• Язва желудка заживает при прослушивании “Вальса цветов”.
• Артериальное давление и сердечную деятельность нормализует “Свадебный марш” Мендельсона.
• При гастрите поможет “Соната №7” Бетховена.

Список литературы:

1. Бутенко О. Музыкотерапия / ж. Народный лекарь. 2001. № 5.
2. Гл.ред. Б.В. Петровский Популярная медицинская энциклопедия.- М.: “Советская Энциклопедия”, 1979. 704 с.
3. Лифанова Н.В. Все о колоколах и колокольных звонах. / ж Физика в школе 2002.  №3.
4. Игнатова Т., Ананьев С. Музыка против наследственных болезней / ж. Здоровье.  2000. № 6.
5. Ресурсы сети Internet, использованные в работе:
6. http://biblios.newgoo.net – Большая библиотека психологии
7. http://www.soundball.ru/article_zz.htm - Авторский сайт Тины Георгиевской. Sound ball.
8. http://meduniver.com/Medical/Physiology/ - MedUniver Физиология человека.
9. http://www.medicinform.net/human/fisiology.htm - Медицинская информационная сеть.
10. http://www.medical-enc.ru/physiology/sluh.shtml - Медицинский справочник. Физиология человека.