Волны в среде звуковые волны 11 класс конспект урока
Обновлено: 07.07.2024
Вид урока: урок- беседа + практическая работа.
Развивающая: способствовать развитию аналитического мышления обучающихся; умению делать логические выводы;
Воспитательная: создать условия для выработки уважительного отношения к мнению окружающих; формирования трудолюбия, дисциплинированности и добросовестности.
Оборудование: компьютер, экран, презентация с видеофрагментами и записями голосов, камертон, методические рекомендации для выполнения практической работы, раздаточный материал.
Структура урока:
Актуализация опорных знаний (Проверка домашнего задания).
Изучение нового материала.
Первичная проверка понимания нового материала.
Применение знаний и умений.
Информация о домашнем задании.
Организационный момент. (1 слайд)
Приветствие. Проверка списочного состава.
Что же такое свист?
Обучающиеся. Звук. (Записывают тему урока: Звуковые волны. Ультразвук и его применение.)
Преподаватель. Прежде чем говорить о звуковых волнах, давайте вспомним, что такое механические волны.
Актуализация опорных знаний (Проверка домашнего задания).
Фронтальный опрос (У каждого обучающегося есть двуцветные карточки красного и зеленого цвета. При вопросе преподавателя все поднимают карточки. При этом красный сигнализирует о том, что ученик не готов отвечать, зеленый — сигнал "Я знаю". Пассивность при таком опросе невозможна.). (2 слайд)
1. Что такое упругая волна?
2. Какие характеристики волны вы знаете?
3. От чего зависят скорость и длина волны?
4. От чего зависят период и частота волны?
5. Какие виды упругих волн вы знаете?
6. В каких средах распространяются упругие волны?
Изучение нового материала.
Преподаватель. Мы живем в мире звуков, которые позволяют нам получать информацию о том, что происходит вокруг. (3 слайд)
Мир звуков так многообразен
Богат, красив, разнообразен,
Но всех нас мучает вопрос:
Откуда звуки возникают,
Что слух наш всюду услаждают?
Пора задуматься всерьёз…
Подумайте, что необходимо для того, чтобы появился звук?
Приведите примеры источников звука.
Одним из таких источников является камертон – металлический стержень, укрепленный на полом деревянном ящике (опыт с камертоном).
После удара по ветке камертона мы слышим звук. Почему? (Ветки камертона начинают колебаться, создавая сжатия и разряжения воздуха, что и создает звуковую волну).
Далее эта волна попадает в ухо. Основной частью уха является барабанная перепонка. Сжатия и разряжения воздуха заставляет барабанную перепонку колебаться, и мы воспринимаем звук.
Таким образом, для создания звуковой волны необходим источник звука, для передачи звука необходима упругая среда, а для регистрации необходим прибор.
Звуковые волны – это механические колебания, распространяющиеся в упругой среде (твердой, жидкой и газообразной) и воспринимаемые органами слуха. Человеческое ухо воспринимает колебания частотой от 16 до 20000 Гц.
Инфразвук – звуковые волны с частотой ниже 16 Гц, ультразвук – волны с частотой более 20000 Гц.
Мы говорили только о человеке. А какие звуки воспринимают животные? Например, домашние животные: кошки и собаки? Каждый не раз замечал, что они порой реагируют на звуки, которые человек не слышит. Почему? Это происходит потому, что различные существа воспринимают звуки разных частот. Слух животных и людей различен. Обратимся к шкале звуковых частот, воспринимаемых различными существами. (4 слайд)
(Анализируется шкала звуковых частот)
Совпадают ли частоты звуковых волн, которые слышат человек, кошка и собака? (Есть звуки, которые слышат все? От 250 до 20000 Гц).
Особое внимание при просмотре обратите на диалог главных героев, а по его окончании постарайтесь ответить на следующие вопросы:
Какие звуки слышали главные герои?
Совпадали ли частоты звуковых волн, которые слышали главные герои?
(Волчонок слышал звуки леса: шелест травы, писк комаров, шум деревьев и т.д.
Большой Ух слышал звуки космоса.
Частоты звуковых волн частично совпадали, иначе главные герои не смогли бы услышать друг друга.)
Мы выяснили, что слух животных и людей различен.
А как воспринимают звуки разные люди? Оказывается, и люди воспринимают звук по-разному. С чем это связано? (5 слайд)
1. Возрастные особенности (физиологические) – барабанная перепонка у людей старшего возраста теряет эластичность.
2. Профессиональные особенности – воздействие громких звуков.
3. Географические особенности – проживание вблизи постоянных источников громких звуков.
Поговорим о характеристиках звука. (6 слайд)
Как вы думаете, что относится к характеристикам звука? (Громкость, тембр, частота).
Громкость звука субъективная характеристика звука, зависящая от объективных характеристик амплитуда и интенсивность звука.
Интенсивность звука или сила звука – это энергетическая характеристика звука, которая зависит от энергии, ежесекундно переносимой через единичную площадку, расположенную перпендикулярно направлению распространения звуковой волны.
Единица интенсивности звука – ватт на квадратный метр (Вт/м2).
Порог слышимости - величина интенсивности звука, ниже которой звук человеческим ухом не воспринимается (соответствует величине – 10-12 Вт/м2).
Болевой порог соответствует интенсивности 1 Вт/м2.
Интенсивность звука определяется по так называемой логарифмической шкале.
В этой шкале уровень интенсивности выражается в белах (Б ). Если уровень одного звука на 1 бел (1 Б) выше, чем у другого, то отношение интенсивности этих звуков равно 10, если на 2 Б, то отношение их интенсивностей равно 102, и т.д. Таким образом, громкость звука характеризуется интенсивностью звука.
Обычно уровень интенсивности выражают в децибелах (дБ) (1 Б = 10 дБ).
Громкость звука зависит от амплитуды колебаний, чем меньше амплитуда, тем тише звук, и, наоборот, чем больше амплитуда, чем громче звук.
К субъективным характеристикам звука относится также тон.
Например, камертоны различного размера издают звуки разного тона. Частота колебаний характеризует высоту тона. Например, летящий комар издает звук высокого тона, шмель – звук низкого тона.
Частота звуковой волны определяет высоту тона. Чем больше частота колебаний источника звука, тем выше издаваемый им звук.
Звуковые колебания непериодического характера (не связанные между собой частоты) называются шумы (скрип, стук, гул, вой, треск).
Звуки с периодическими колебаниями, т.е. с одинаковыми и правильно повторяющимися волнами называются музыкальными тонами. (9 слайд, записи голосов различных диапазонов)
Человеческие голоса по высоте делят на несколько диапазонов:
• бас – 80–350 Гц, а английский певец Норман Аллин даже брал частоту 44 Гц (включается фрагмент записи Ф.И.Шаляпина);
• баритон – 110–149 Гц (фрагмент записи В.С.Высоцкого);
• тенор – 130–520 Гц (фрагмент записи И.С.Козловского);
• дискант – 260–1000 Гц (фрагмент записи голоса Р.Лоретти);
• сопрано – 260–1050 Гц (фрагмент записи Г.П.Вишневской);
• колоратурное сопрано – до 1400 Гц, а француженка Мадо Робен брала ре четвертой октавы – 2300 Гц.
Звуковая волна может проходить самые различные расстояния. Орудийная стрельба слышна на 10-15 км, ржание лошадей и лай собак - на 2-3 км, а шепот всего на несколько метров. Эти звуки передаются по воздуху. Но проводником звука может быть не только воздух. (10 слайд)
Приложив ухо к рельсам, можно услышать шум приближающегося поезда значительно раньше и на большем расстоянии. Значит металл проводит звук быстрее и лучше, чем воздух. Вода тоже хорошо проводит звук. Нырнув в воду, можно отчетливо слышать, как стучат друг о друга камни, как шумит во время прибоя галька.
Свойство воды – хорошо проводить звук – широко используется для разведки в море во время войны, а также для измерения морских глубин.
Необходимое условие распространения звуковых волн – наличие материальной среды. В вакууме звуковые волны не распространяются, так как там нет частиц, передающих взаимодействие от источника колебаний.
Поэтому на Луне из-за отсутствия атмосферы царит полная тишина. Даже падение метеорита на ее поверхность не слышно наблюдателю.
В отношении звуковых волн очень важно упомянуть такую характеристику, как скорость распространения.
В каждой среде звук распространяется с разной скоростью.
Скорость звука в воздухе - приблизительно 340 м/с.
Скорость звука в воде — 1500 м/с.
Скорость звука в металлах, в стали — 5000 м/с.
В теплом воздухе скорость звука больше, чем в холодном.
Как вы думаете, какими свойства обладает звук? (Отражение, эхо, поглощение) (11 слайд)
Отражение звука. Звук отражается от гладких поверхностей. Поэтому при использовании рупора звуковые волны не рассеиваются во все стороны, а образуют узконаправленный пучок, за счет чего мощность звука увеличивается, и он распространяется на большее расстояние.
Эхо. Эхо образуется в результате отражения звука от различных преград - гор, леса, стен, больших зданий и т.п. Эхо возникает только в том случае, когда отраженный звук воспринимается раздельно от первоначально произнесенного звука. Если отражающих поверхностей много и они находятся на разных расстояниях от человека, то отраженные звуковые волны дойдут до него в разные моменты времени. В этом случае эхо будет многократным. Препятствие должно находится на расстоянии 11м от человека, чтобы можно было услышать эхо.
Эхолокация - это один из способов звуковой локации, при котором расстояние до объекта определяется по времени возвращения эхо-сигнала.
.
Поглощение звука. Поглощение звука – это явление необратимого превращения энергии звуковой волны в другой вид энергии, прежде всего в энергию теплового движения частиц среды. Наличие неоднородностей в среде приводит к увеличению поглощения звука. В различных пористых и волокнистых веществах поглощение звука велико, что позволяет применять их для заглушения и звукоизоляции.
- Для учеников 1-11 классов и дошкольников
- Бесплатные сертификаты учителям и участникам
Областное государственное автономное
профессиональное образовательное учреждение
Методическая разработка открытого урока по физике
Звуковые волны.
преподаватель Колтунова О.А.
Рассмотрено на заседании МК преподавателей
дисциплин общеобразовательного цикла,
председатель МК _______ Тарановская В.П.
Цели учебного занятия:
Обеспечить сформированность представления о звуковых волнах;
Организовать работу по ознакомлению с природой звуковых волн, характеристикой звуков;
Создать условия для формирования готовности и способности к самообразованию на протяжении всей жизни; сознательного отношения к непрерывному образованию как условию успешной профессиональной и общественной деятельности;
Содействовать формированию положительного отношения к самостоятельности и любознательности;
Обеспечить условия для развития навыков сотрудничества со сверстниками и взрослыми в образовательной деятельности;
метапредметные:
Создать условия для развития умения самостоятельно определять цели деятельности и составлять планы деятельности;
Способствовать формированию готовности и способности к самостоятельной информационно – познавательной деятельности, умению ориентироваться в различных источниках информации, оценивать и перерабатывать полученную информацию.
Вид учебного занятия: урок.
Технологии: проблемное обучение, информационно - коммуникационная.
Средства обучения: компьютер, проектор, презентация, приборы и материалы для экспериментов.
Методы обучения : частично – поисковый, объяснение, самостоятельная работа.
План урока
Организационный момент (определение темы урока, постановка целей урока) – 3мин
Мотивация студентов – 1 мин.
Изучение нового учебного материала - 30 мин
Первичная проверка понимания – 2 мин
Обобщение и систематизация знаний – 5 мин
Домашнее задание - 2 мин
Подведение итогов, оценка работ учащихся, рефлексия – 2 мин
Организационный момент. Вступительное слово преподавателя.
1. Природа звуковых волн
2. Характеристики звуковых волн.
3. Применение звуковых волн.
Мотивация студентов
Звуки занимают в жизни человека важную роль. С помощью звуков мы получаем информацию об окружающем мире, что позволяет нам уверенно ориентироваться в пространстве; а самое главное - благодаря звуку, мы общаемся с вами.
Мы живем в звучащем мире.
Звуки всюду нам слышны.
Часто слышим мы в эфире
Сотни звуков тишины.
Вся природа – мир звучащий:
Шелест листьев на ветру,
Дятла стук в глубокой чаще,
Дождь, шумящий поутру.
Есть особенные звуки –
Это музыки полет.
В час веселья и разлуки
Нас прекрасный мир влечет.
Звуки леса, поля, моря.
Каждый день и каждый час.
Звуки радости и боли
В сердце каждого из нас. (Лаврова Татьяна)
Изучение нового учебного материала.
Мы живем в мире звуков. Нас окружает ежедневный рабочий шум, шелест листвы, голоса людей, звуки дороги. Одни звуки успокаивают, другие поднимают настроение, третьи вызывают грусть, четвертые зовут к действию, движению. Человек, который не слышит от рождения, не может овладеть речью, мир для него лишен многообразия.
Раздел физики, занимающийся изучением звуковых явлений, называется акустикой.
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. Еще древнегреческий ученый Аристотель, исходя из наблюдений, верно объяснил природу звука, полагая, что звучащее тело создает попеременное сжатие и разрежение воздуха. Так, колеблющаяся струна то уплотняет, то разряжает воздух, благодаря упругости которого эти чередующиеся воздействия передаются в пространство от слоя к слою, вызывают упругие звуковые волны.
Проблемы акустики интересовали Леонардо да Винчи, Г.Галилея, И.Ньютона, Д.Бернулли, Г.Ома, П.Н.Лебедева и других крупнейших ученых. В этой области наук было сделано столько
много, что к концу XIX века многие ученые считали дальнейшее развитие акустических исследований бесперспективными. Однако не прошло и нескольких десятилетий, как эта наука вновь заняла умы многих ученых. И сейчас в мире существуют множество направлений современной акустики (геометрическая акустика, архитектурная, строительная, психоакустика, биоакустика, гидроакустика, медицинская и др.)
Проблема: Как возникает звук?
Опыт с линейкой, струной.
Вывод: Колеблющееся тело создает звук. Кроме того, тела, движущиеся в газах и жидкостях с большой скоростью, тоже являются источниками звуковых волн (свистят в полете пуля и стрела, завывает ветер…)
Опыт с камертоном. Камертон состоит из двух металлических ветвей с держателем посередине. При ударе резиновым молоточком по камертону мы слышим звук, но колебания ветвей мы не видим.
Вопрос: Как можно обнаружить колебание ветвей? (к звучащему камертону поднести бусинку на нити или прикоснуться рукой).
Вопрос: Зачем устанавливают камертон на деревянном ящике, открытом на одной стороне? (ящик является усилителем колебаний или резонатором, поэтому звук усиливается)
Звуковые волны - упругие волны, способные вызывать у человека слуховые ощущения.
Демонстрация звукового резонанса с двумя камертонами.
Источники звука бывают естественные (голос, шелест листьев, шум прибоя) и искусственные (камертон, струна, сирена).
Физкультминутка: Закройте глаза, снимите напряжение; откройте глаза. Вытяните руки перед собой и начните колебательное движение рук. Прислушайтесь!
Проблема: Колебания есть, а звука нет. Почему? (этот звук мы не слышим).
Человеческое ухо способно воспринимать упругие волны с частотой от 17 Гц до 20000Гц. Колебания этих частот называются звуковыми. Поэтому колебания руками 17 и более раз в секунду никто не может сделать. Для разных людей порог слышимости неодинаков, с возрастом он изменяется.
Инфразвук - это акустическая волна с частотой меньше чем 17 Гц.
Ультразвук - это акустическая волна с частотой больше чем 20000 Гц.
Слышит ли человек инфра и ультразвуки? А другие живые существа?
Что же ещё нужно для распространения звука, кроме колеблющегося тела? Для возникновения звуковой волны необходима упругая среда.
Среда называется упругой, если между ее частицами существуют силы упругости, препятствующие какой-либо деформации этой среды.
Назовите эти среды (твёрдые, жидкие, газообразные). Чем отличаются эти среды? (расстоянием между молекулами). А какая среда не является упругой? (вакуум)
Вопрос: в какой среде звук будет распространяться быстрее? Почему?
Скорость звука в воздухе ≈ 340м/с, в жидкости ≈ 1440м/с, в твёрдых телах ≈ 5000м/с.
Мысль измерить скорость звука впервые пришла английскому философу Фрэнсису Бэкону. По его совету этим занялся французский ученый Марен Марсенн. В 1630 г. он провел наблюдение над выстрелом из мушкета. Расстояние между наблюдателем и мушкетом было поделено на время, прошедшее между вспышкой от выстрела и долетевшим до наблюдателя звуком. Марсенн нашел, что скорость звука равна 230 туазам в секунду, что соответствует 448 м/с.
Жан-Даниэль Колладон и его друг, швейцарский физик Шарль-Франсуа Штурм, в 1826 году на Женевском озере провели опыт по измерению скорости распространения звука в воде. Два физика сели в лодки и разъехались километра на три один от другого. С борта одной лодки свешивался под воду колокол, в который можно было ударить молотком с длинной ручкой. Ручка эта была соединена с приспособлением для зажигания пороха в маленькой мортире, укрепленной на носу лодки: одновременно с ударом в колокол вспыхивал порох, и яркая вспышка видна была далеко кругом. По запозданию звука в сравнении с вспышкой определялось, сколько секунд бежал звук по воде от одной лодки до другой. Такими опытами найдено было, что звук в воде пробегает 1440 м в секунду. Демонстрация опыта усиления звука при опускании колеблющихся ветвей камертона в стакан с водой.
Свойства звуковых волн.
Демонстрация. Положив звенящий телефон в коробку, мы слышим звук. Стоит только поверх телефона положить шерстяной шарф, как звук становится неслышным. Почему так происходит?
Мягкие, пористые тела – плохие проводники звука. Звуковые волны в них затухают, поглощаются. Это свойство звуковых волн называется поглощение.
Вторым свойством звуковой волны является отражение. Приведите пример.
Эхо – это звуковая волна, отраженная какой-либо преградой и возвратившаяся в то же место, откуда она начала распространяться. Не каждый отраженный звук воспринимается как эхо. Эхо возникает только в том случае, когда отраженный звук воспринимается раздельно от первоначально произведенного звука. Два звука воспринимаются раздельно только в том случае, если промежуток между ними составляет не менее 0,1 с. В замкнутом пространстве возникает явление реверберации звука.
Реверберация — это процесс постепенного уменьшения интенсивности звука при его многократных отражениях.
Характеристики звуковых волн – это высота, тембр, громкость.
Высота звука зависит от частоты колебаний: чем больше частота колебаний источника звука, тем выше издаваемый им звук. Колебаниям малых частот соответствуют низкие звуки.
Тембр – это особая окраска звука.
Вопрос: всегда ли звук приносит пользу?
На наше ухо отрицательное влияние оказывает шум. Шум – это звук любого рода. Шум – это звуковые волны, воспринимаемые людьми как неприятный, мешающий или даже вызывающий болезненные ощущения фактор. Бактериолог Роберт Кох (1843-1910) почти сто лет назад предсказал, что “когда-нибудь человеку придется ради своего существования столь же упорно бороться с шумом, как он борется сейчас с холерой и чумой”. Чаще всего шум – продукт техники, и потому стал опасен сравнительно недавно. Характерные примеры шума – свист, треск, шипение, дребезжание.
Шумы окружают человека повсюду. Рано утром звон будильника громкостью 56-80 дБ пробуждает нас ото сна. Кофемолка дает шум громкостью около 70 дБ. Мы часто смотрим телевизор, слушаем музыку – это 50-70 дБ. По пути на работу или на занятия нас окружает транспортный шум на уровне 70-80 дБ. Как правило, шум нас раздражает, мешает работать, отдыхать, думать. Но шум может действовать и успокаивающе. Такое влияние на человека оказывает, например, шелест листьев, рокот морского прибоя.
Нередко шум несет важную информацию. Авто- или мотогонщик внимательно прислушивается к звукам, которые издают мотор, шасси и другие части движущегося аппарата, ведь любой посторонний шум может быть предвестником аварии. Шумовое загрязнение атмосферы постоянно растет. Шум вредно влияет на здоровье человека, повышает кровяное давление, вызывает нарушение ритма сердца, а продолжительное воздействие интенсивного шума ведет к глухоте. Очень сильный звук в состоянии даже вызвать разрыв барабанной перепонки. С шумом необходимо бороться. Умение соблюдать тишину – показатель культуры человека и его доброго отношения к окружающим.
Первичная проверка понимания. С целью обобщения пройденного материала студенты делают выводы:
Звуковые волны являются механическими продольными волнами.
Распространяются в упругих средах.
Скорость звука в этих средах различна.
Скорость звука зависит от свойств среды, в которой он распространяется и от температуры.
Звуковая волна может поглощаться или отражаться
Обобщение и систематизация знаний. Тест с взаимопроверкой.
1. Упругие продольные волны могут распространяться…
А. Только в твердых телах. Б. В любой среде. В. Только в газах.
2. Ультразвуковыми называются волны, частота колебаний которых…
А. Менее 20 Гц Б. От 20 до 20 000 Гц. В. Превышает 20 000 Гц.
Высота звука зависит от…
А. Амплитуды колебаний. Б. Частоты колебаний В. Скорости звука
4.Если перед открытым роялем играть на скрипке, то рояль звучит. Это вызвано…
А. Резонансом звука Б. Отражением звука В. Реверберацией
Какое насекомое чаще машет крыльями в полете: шмель или комар?
А. комар, так как у него большая частота колебаний крыльев
Б. комар, так как у него большая амплитуда колебаний крыльев
В. шмель, так как у него более низкий звук
Г. шмель, так как у него большая амплитуда колебаний
1.Упругие поперечные волны могут распространяться…
А. Только в твердых телах. Б. Только в жидкостях В. В любой среде.
2. Инфразвуковые волны – это волны, частота колебаний которых…
А. Менее 20 Гц Б. Более 20 000 Гц В. От 20 до 20 000 Гц.
3. Громкость звука зависит от…
А. Частоты колебаний. Б. Амплитуды колебаний В. Скорости звука
4. Если ударить молотком по одному концу длинной металлической трубы, то на другом конце услышат двойной удар, т.к. существует
А. Резонанс звука Б. Разная скорость звука в воздухе и металле В. Отражение звука
5. Как изменится высота звука, издаваемого циркулярной пилой при ее холостом ходе, если на ней начать распиливать толстую доску?
А) увеличится Б) уменьшится С) не изменится
6. Домашнее задание. Разгадать кроссворд.
Звук, при котором изменения акустического давления, воспринимаемого нашим ухом, происходят регулярно, называется …(Музыкальный)
Колебания, частоты которых больше 20кГц. (Ультразвук)
Модуль наибольшего смещения тела от положения равновесия. (Амплитуда)
Явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний при совпадении частоты свободных колебаний с частотой вынуждающей силы. (Резонанс)
Характеристика звука, измеряемая в герцах. (Частота)
Время, за которое совершается одно полное колебание. (Период)
Характерная окраска звука, сообщаемая ему обертонами. (Тембр)
Прибор для измерения времени. (Часы)
Приемник звука у человека и животных. (Ухо)
Подведение итогов, оценка работы студентов, рефлексия.
Чемодан, мясорубка, корзина
На доске вывешиваются рисунки чемодана, мясорубки, корзины.
Чемодан – нужная информация, всё пригодится в дальнейшем.
Мясорубка – информацию переработаю.
Корзина – бесполезная информация, всё выброшу.
Студентам предлагается с помощью закладок выбрать, как они поступят с информацией, полученной на уроке.
Тип урока: урок усвоения новых знаний.
Цели урока: Образовательная - сформировать понятие звуковой волны; сформировать представление о взаимосвязи физики и других наук (биологии); Развивающая - развивать умение анализировать и обобщать учебный материал; Воспитательная - учить использовать полученные знания для защиты от вредных воздействий звука; формировать трудолюбие, дисциплинированность и добросовестность.
по характеру источников информации – наглядные; по уровню познавательной деятельности учащихся – объяснительно – иллюстративные; по дидактическим функциям – осознание; логические – продуктивные.
Организационный момент (1 – 2 минуты)
Актуализация (3-5 минут)
1. Что такое волна? 2. Что является источником волны? 3. Какие характеристики волны вы знаете? 4. Что такое упругая волна? 5. Как распространяются волны в упругих средах? 6. Какие виды упругих волн мы изучили? 7. В каких средах распространяются упругие волны?
Посмотрев данный видеоурок, ребята узнают, какова природа звука и каковы его источники. Мы также рассмотрим процесс распространения звуковых колебаний в среде. Познакомимся с некоторыми характеристиками звуковых колебаний. И узнаем, от чего зависит скорость звука и как её можно определить.
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобретя в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока "Звуковые волны"
Особенно важное место среди всех типов упругих волн занимают звуковые волны (или просто звуки). Мир окружающих нас звуков разнообразен и сложен, однако мы достаточно легко ориентируемся в нём и можем безошибочно отличить пение птиц от шума городской улицы.
Итак, что же такое звук и как он возникает?
Начнём с того, что раздел физики, в котором изучаются звуковые явления, называется акустикой.
Многочисленные опыты и наблюдения показали, что общим для всех тел, издающих звуки, является то, что все они совершают колебательные движения.
Таким образом, звук — это упругие колебания, распространяющиеся в какой-либо среде и способные вызывать у человека слуховые ощущения.
Для примера возьмём в качестве среды воздух, а в качестве источника звука — камертон, который был изобретён в начале восемнадцатого века английским музыкантом Джоном Шором для настройки музыкальных инструментов.
Если ударить по камертону молоточком, то можно услышать чистый музыкальный звук, который возникает из-за частых колебаний ветвей камертона, незаметных для глаза.
Ветвь камертона создаёт попеременно сжатие и разрежение в прилегающей к ней области воздуха, и образуется продольная волна, которая распространяется в воздухе. Графически её можно представить как зависимость плотности молекул воздуха от координаты.
Таким образом, в процессе распространения звуковой волны с течением времени изменяются такие характеристики среды, как плотность и давление. Следовательно, звуковые волны могут распространяться в твёрдых, жидких и газообразных средах.
А как вы думаете, возможно ли распространение звуковой волны в вакууме? Впервые на этот вопрос удалось ответить Роберту Бойлю в 1660 году. Идея опыта достаточно проста. Учёный взял работающий будильник (мы, для большей наглядности, используем электрический звонок) и поместил его в сосуд вакуумного насоса.
Несмотря на то, что звук, издаваемый под колоколом насоса, стал тише, он всё же был вполне различим. Затем Бойль начал откачивать воздух из сосуда. По мере того, как давление воздуха под колоколом уменьшается, звук звонка постепенно слабеет до тех пор, пока совсем не исчезнет. Но, обратите внимание, что молоточек звонка продолжает ударять по звонковой чаше. Значит, она колеблется, но эти колебания дальше не распространяются, так как нет передающей среды. Если впустить под колокол насоса воздух, то мы снова услышим звон. Этот опыт доказал, что для распространения звука необходима среда.
Однако, как подсказывает нам наш жизненный опыт, не всякое колеблющееся тело издаёт звуки. Так, например, мы не слышим колебания обычного математического маятника. Всё дело здесь в частоте колебаний, которой характеризуется колебательная система. Так, наше ухо способно воспринимать только акустические звуки, то есть колебания, частота которых находится в пределах от 16 Гц до 20 кГц.
Колебания с частотой меньше 16 Гц называют инфразвуком. Такие звуки могут воспринимать некоторые рыбы и медузы. А колебания с частотой более 20 кГц называют ультразвуком. Их воспринимают многие животные, в том числе кошки, собаки, летучие мыши и дельфины.
Основными физическими характеристиками звука являются интенсивность и спектральный состав (спектр).
Интенсивность звуковой волны — это физическая скалярная величина, определяемая энергией, переносимой волной в единицу времени через поверхность площадью один квадратный метр, расположенную перпендикулярно к направлению распространения волны:
Другими словами, интенсивность представляет собой мощность, переносимую волнами через поверхность единичной площади перпендикулярно к направлению распространения волны.
Единицей интенсивности в СИ является Вт/м 2 . Хотя очень часто в повседневной жизни мы используем внесистемные единицы интенсивности звука — бел и децибел, названные так в честь изобретателя телефона Александра Белла.
Интенсивность звука, улавливаемого ухом человека, лежит в очень широких пределах. Минимальная интенсивность, при которой ухо человека перестаёт воспринимать звук, называется порогом слышимости.
При значительной интенсивности колебаний ухо перестаёт воспринимать колебания как звук, испытывая при этом болевое ощущение. Такая интенсивность, выше которой отмечается боль, называется порогом болевого ощущения. Порог болевого ощущения соответствует интенсивности, равной примерно 1 Вт/м 2 .
На основании всего вышесказанного мы с вами можем выделить необходимые условия для возникновения звуковых волн:
1) необходим источник звука;
2) между источником звука и ухом должна быть упругая среда;
3) частота колебаний источника звука должна находиться в пределах от шестнадцати герц до двадцати килогерц;
4) мощность звуковых волн должна быть достаточной для того, чтобы вызывать ощущение звука.
Спектром называется набор звуков различных частот, образующих данный звуковой сигнал. Спектр может быть сплошным или дискретным (линейчатым).
Сплошной спектр означает, что в данном наборе присутствуют волны, частоты которых заполняют весь заданный спектральный диапазон. Дискретный спектр означает наличие конечного числа волн с определёнными частотами и амплитудами, которые образуют рассматриваемый сигнал.
По типу спектра звуки разделяются на шумы и музыкальные тоны.
Шум — это совокупность разнообразных кратковременных звуков (хруст, шелест, шорох, стук). Он представляет собой наложение большого числа колебаний с близкими амплитудами, но различными частотами (имеет сплошной спектр).
Музыкальный тон создаётся периодическими колебаниями звучащего тела (камертон, струна) и представляет собой гармоническое колебание одной частоты. Именно на основе музыкальных тонов и создана музыкальная азбука — ноты.
Результат наложения нескольких одновременно звучащих музыкальных тонов, из которых можно выделить основной тон, соответствующий наименьшей частоте, называется музыкальным звуком. Основной тон называется также первой гармоникой. Все остальные тоны называются обертонами. Таким образом, музыкальный звук имеет дискретный спектр.
Звуковые волны, так же, как и механические, характеризуются скоростью распространения. При этом модуль скорости звука зависит от упругих свойств среды, её плотности и температуры. Поэтому модуль скорости звука в газах меньше, чем в жидкостях, а в жидкостях, как правило, меньше, чем в твёрдых телах.
Именно поэтому во время грозы мы сначала видим вспышку молнии и лишь через некоторое время до нас доносятся раскаты грома.
В 1636 году французский физик Марен Мерсенн предпринял первые попытки экспериментального определения скорости звука. Для этого производился выстрел из пушки, а затем измерялось время, прошедшее между моментами, когда наблюдатель замечал вспышку, и моментом, когда до него доносился отзвук выстрела. Разделив расстояние, покрытое звуковой волной за полученное время, учёный получил скорость звука, равную 450 м/с.
Лишь в 1809 году Пьер-Симоном де Лапласом была получена формула для теоретических расчётов скорости звука в воздухе:
А первые попытки измерить скорость звука в воде были предприняты в 1827 году швейцарским физиком Жан-Даниэлем Колладоном на Женевском озере. На одной лодке друг учёного Шарль-Франсуа Штурм поджигал порох и одновременно ударял в подводный колокол. На другой лодке, которая находилась на расстоянии десяти миль (около шестнадцати километров) от первой, Колладон отмечал время наблюдения вспышки света и время улавливания звука с помощью рупора, опущенного в воду. По разности времени между вспышкой света и приходом звукового сигнала определили скорость звука.
В заключении отметим несколько интересных фактов, связанных со звуковыми волнами. Например, как вы уже знаете, твёрдые тела очень хорошо проводят звук. Благодаря этому свойству существует возможность обучения глухих людей игре на музыкальных инструментах и танцам. Музыкальные такты и даже ноты они распознают по вибрациям пола и корпусов инструментов.
Так, например, при обороне Ленинграда для работы на акустических аппаратах были задействованы незрячие люди, обладающие исключительным слухом. Они могли не только узнавать о приближении самолётов, но и легко могли отличить советские самолёты от немецких. Более того некоторые слухачи могли определить тип приближающихся самолётов.
Читайте также: