Разработка урока по теме "Характеристики звука"

Комитет по делам образования города Челябинска

МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ МБОУ «ГИМНАЗИЯ № 10 г. ЧЕЛЯБИНСКА

Проектная работа

«Физика звука»

Тип проекта:

Практико-ориентированный

Выполнил: Семеняк

Ярослав Данилович

Руководитель проекта:

Петрякова Лариса Леонидовна

Челябинск, 2023

Содержание

Введение                                                                                                3

I.Теоретическая часть                                                                            4

I.1 Что такое звук                                                                                   4

I.2 Роль звука в жизни человека                                                             5

I.3 Ощущение и передача звука. Тона и обертона.                                7

I.4 Различия звуковых колебаний в разных видах музыки                    9

II.Практическая часть                                                                           11

II.1Проведение урока                                                                           11

II.2Создание плана-конспекта урока «Физика звука»                          11

II.3 Создание таблицы с разными музыкальными группами и их средней частоты звучания                                                                                                        15

Заключение                                                                                          16

Список источников                                                                              17

Приложения                                                                                         18

Введение

 В мир музыки, мир волшебных звуков мы попадаем с самых первых дней своей жизни. Первая колыбельная, которую поет нам мама, первая музыкальная игрушка. Я увлекаюсь музыкой с детства. Но позже, в школе, на одном из уроков физики я познакомился с одной из её областей – акустика. Эта тема меня заинтересовала, и я решил более подробно изучить её. Нет более интересной области науки, чем та, что изучает физическую природу звука. Высота, частота звука влияет на восприятие музыки человеком. Одна доставляет удовольствие, другая раздражает слух и вызывает агрессию. Поэтому знания акустики важны музыканту. В своей работе я попытаюсь вам рассказать о звукоизвлечении гитарного звука с позиции физики.

 Цель работы: Провести урок о физике звука для учащихся 9-х классов

Задачи:

1.                 Найти информацию о том, что такое звук

2.                 Изучить звук с точки зрения физики

3.                 Создать конспект урока «Физика звука»

4.                 Провести урок для 9-х классов

I.Теоретическая часть

I.1 Что такое звук

Звук — физическое явление, представляющее собой распространение упругих волн в газообразной, жидкой или твёрдой среде. В узком смысле под звуком имеют в виду эти волны, рассматриваемые в связи с тем, как они воспринимаются органами чувств.Источником звука может выступать тело, совершающее механические колебания по определённому закону.Звуковые волны могут служить примером колебательного процесса.[1]

Всякое колебание связано с нарушением равновесного состояния системы и выражается в отклонении её характеристик от равновесных значений с последующим возвращением к исходному значению.Благодаря упругим связям частиц давление передаётся на соседние частицы, которые, в свою очередь, воздействуют на следующие, и область повышенного давления как бы перемещается в упругой среде. За областью повышенного давления следует область пониженного давления, и, таким образом, образуется ряд чередующихся областей сжатия и разрежения, распространяющихся в среде в виде волны. Каждая частица упругой среды в этом случае будет совершать колебательные движения. Для звуковых колебаний такой характеристикой является давление в точке среды, а её отклонение — звуковым давлением[1].

Обычный человек способен слышать звуковые колебания в диапазоне частот от 16—20 Гц до 15—20 кГц. Звук ниже диапазона слышимости человека называют инфразвуком; выше: до 1 ГГц, — ультразвуком, от 1 ГГц — гиперзвуком. В первом приближении громкость звука диктуется амплитудой волны, а тон, высота звука — частотой. Более точно, громкость сложным образом зависит от эффективного звукового давления, частоты и формы колебаний, а высота звука — не только от частоты, но и от величины звукового давления.Звук измеряется в децибелах (дБ). Шепот составляет около 30 дБ, разговор человека — около 60 дБ, а работающий двигатель мотоцикла — около 95 дБ. Шум выше 70 дБ в течение длительного периода времени может привести к повреждению слуха. Громкий шум выше 120 дБ (например, на рок-концерте) может вызвать внезапную потерю слуха. Так, как звук – это физическое явление, ему присущи некоторые физические свойства: [2]

1.                 Спектр звука

Под спектром понимается распределение звуковой энергии по частоте ��/��, то есть функция, показывающая относительную представленность различных частот в изучаемом звуке.

2.                 Интенсивность звука

Интенсивность (сила) звука — скалярная физическая величина, характеризующая мощность, переносимую в направлении распространения звука

3.                 Длительность звука

Длительность звука — общая продолжительность колебаний источника упругих волн в секундах или, в музыке, в единицах музыкального ритма

4.                 Скорость звука

Скорость звука — скорость распространения звуковых волн в среде.Как правило, в газахскорость звука меньше, чем в жидкостях. Скорость звука в воздухе зависит от температуры и в нормальных условиях составляет примерно 340 м/с.

5.                 громкость звука — субъективное восприятие силы звука (абсолютная величина слухового ощущения). Громкость главным образом зависит от звукового давления, амплитуды и частоты звуковых колебаний. Также на громкость звука влияют его спектральный состав, локализация в пространстве, тембр, длительность воздействия звуковых колебаний, индивидуальная чувствительность слухового анализатора человека и другие факторы

I.2 Роль звука в жизни человека

Звук окружает нас повсюду. На улице мы слышим пение птиц, шелест листвы, шум машин, смех детей на игровой площадке. Звук по-разному действует на людей в зависимости от их возраста, общего состояния здоровья и слуховой чувствительности, однако в той или иной степени интенсивный шум негативно влияет на всех. Разумеется, человеческий организм должен защитить себя, и поэтому в результате воздействия сильных акустических колебаний мы начинаем терять слух. Кстати, для того, чтобы потерять слух, не обязательно работать у токарного станка - достаточно часто слушать громкую музыку. Говоря о музыке, давно подмечено, что спокойная и тихая музыка способствует скорому засыпанию, а бодрая и энергичная  наоборот, помогает быстро проснуться и служит хорошим стимулятором на тренировке.Имеет влияние не только жанр и этническая принадлежность, ритм и громкость, а также музыкальные инструменты, участвующие в исполнении произведения. Например, звучание некоторых инструментов (пианино) очищает щитовидную железу, стимулирует мозговую активность.[4]

Во все времена музыка была самым сильным фактором воздействия на психику слушателя. Она способна вызывать бурю различных эмоциональных переживаний, которые еще долго переживаются после ее прослушивания. А психическое состояние влечет и соответствующие действия, выборы, решения. Выбор любимого музыкального жанра во многом зависит от психологической, социальной и духовной зрелости личности, от потребностей удовлетворения внутреннего эмоционального и психического состояния. Каждый музыкальный стиль пробуждает в человеке те или иные эмоциональные переживания.Еще Пифагор призывал использовать музыку в воспитательном процессе и был первым, кто составил научные принципы изучения музыки и ее звучания. Он считал, что музыка способна гармонизировать «душевные недуги» человека. Уже тогда существовали мелодии, созданные «против страстей Души: против уныния и внутренних язв, против раздражения, против гнева…. и других вожделений». А Платон считал, что музыкальное образование должно стать основой государственного образования и обязательным для всех граждан.[2]

Когда мы «вовлекаемся» в целебные частоты, наше тело и разум вибрируют в гармонии. Они включают в себя:

285 Гц – сигналы клеткам и тканям к исцелению. Вызывает в теле ощущение обновления, приятной лёгкости.
396 Гц – освобождает от чувства вины и страха, чтобы расчистить путь для эмоций более высоких вибраций.
417 Гц – способствует «развязыванию» сложных ситуаций.
528 Гц – сигнал к исцелению ДНК, восстановлению клеток и пробуждению сознания.
639 Гц – это вибрация, связанная с сердцем. Она позволяет стереть различие между чувством любви к себе и к «другим». Слушайте эту частоту, чтобы сбалансировать отношения.
741 Гц – сигнал к очищению и исцелению клеток от воздействия электромагнитного излучения. Помогает расширить возможности для создания желаемой реальности.
852 Гц – пробуждает интуицию.
963 Гц – активизирует деятельность шишковидной железы и приводит тело к его совершенному изначальному состоянию.

Это так называемые Частоты Сольфеджио. Безусловно, существуют и другие частоты, многие из которых находятся за пределами диапазона человеческого слуха, но обладают исцеляющими свойствами.

Русский инженер Георгий Лаховский, разработавший устройство, которое назвал «многоволновым» генератором (МВГ), также понимал мощь звука. Он знал, что определённые частоты укрепляют живое существо.

Но, звуковые колебания также могут причинять и вред человеку. Звуковое оружие является неотъемлемой частью новых принципов ведения войны, суть которых заключается в стремлении минимизации материальных и человеческих потерь, не уничтожать противника, а управлять им, лишить его способности вести боевые действия и, прежде всего, сломить его волю к сопротивлению. В этом контексте это оружие можно рассматривать как квинтэссенцию новых принципов ведения войны.[2]

Интерес к звуковому, или как его еще называют акустическому или сонарному, оружию сегодня велик как никогда. По оценкам специалистов, возможные последствия его применения против человека находятся в весьма широком диапазоне, простирающемся от возникновения дискомфорта, временной потери слуха и вплоть до смертельного исхода. Звуком можно воздействовать на психику человека, порождать страх, невидимые препятствия, повергать в панику целые подразделения. Звуковое оружие может предназначаться для различных способов применения — разгона толп (демонстраций), организации паники, охраны объектов, спасения заложников, остановки движения людей и транспортных средств.[1]

 Весь окружающий нас мир — это совокупность волн. Колеблется все, начиная от элементарных частиц и кончая галактиками. Человеческое ухо воспринимает очень узкий диапазон вибраций, но это не значит, что звуки, находящиеся за пределами нашего слуха, не воздействуют на наш организм — воздействуют вплоть до изменения структур тканей организма на молекулярном уровне. Раньше считалось, что звук как бы нейтрален в отношении воздействия на человека. Известен пример, когда на демонстрации первых паровых движителей, где стоял довольно-таки хороший шум, создатель машин Уайт стал его уменьшать. Присутствующие попросили его оставить всё как есть — шум понравился, особенно его фон и монотонность. Долгое время шум вообще считался обязательным спутником развития техники и успехов технологий. Мало кто предполагал, что это явление станет опасным для функционирования живых организмов, тем более, что человеку в некоторой степени присуща слуховая адаптация, которая, кстати, не защищает от потери слуха и иных патологических процессов в организме.[1]

Звуки, которые нас окружают, при всей своей внешней простоте и обычности не так уж безобидны. В прессе было сообщение о том, что в одном из домов на юго-западе Москвы поменяли лифт. После чего большинство жильцов начало испытывать постоянные головные боли, нарушение сна. Оказалось, что работающий механизм является источником неблагоприятного диапазона инфразвука, а шахта лифта, как гигантская труба, его еще усиливает. Подобный эффект хорошо знаком и вулканологам. Шум извергаемой лавы тоже генерирует инфразвук, вызывающий неконтролируемое ощущение страха и желание спрятаться.[3]

В 1929 году в лондонском театре «Лирик» ставили историческую драму. Авторы стремились вызвать у зрителя особые эмоции. Своими проблемами они поделились с известным физиком Робертом Вудом. Он предложил использовать акустический эффект. Не слышимая человеческим ухом низкочастотная волна звука, испускаемая гигантской органной трубой, вызвала на премьере чудовищный резонанс. Дрожали стекла, звенели люстры, сотрясалось все здание. Публику охватил ужас. Началась паника. Спектакль был сорван. [4]

I.3 Ощущение и передача звука. Тона и обертона.

Звуковые волны могут иметь любую частоту колебаний, но человеческое ухо улавливает их в диапазоне примерно от 20 Гц до 20 Кгц. На самом деле, в идеальных лабораторных условиях некоторые слышат аж до 12–16 Гц, а те, кто не слышит, могут уловить низкочастотные колебания телом. А вот с высокими частотами все хуже. Лишь немногие смогут уловить 20 кГц, большинство же слышат лишь до 16-17 кГц, и с возрастом это значение падает до 8–10 кГц. Более того, человеческое ухо наиболее чувствительно к диапазону от 2 до 5 кГц — это так называемая зона разборчивости. Чувствительность к волнам на разных участках спектра различается. Любой может записаться на аудиометрию — обследование слуха, чтобы получить аудиограмму — кривую чувствительности своих ушей по частотам. Правда, в медицине она измеряется в диапазоне от 125 Гц до 8 кГц, но даже в таком укороченном отрезке у всех будет видна неравномерность слуха.[3]

 Чувствительность ушей зависит даже от времени дня и настроения. В свою очередь, эволюционные преимущества других животных могут отличаться. К примеру, летучие мыши ориентируются в пространстве, издавая и улавливая ультразвук, поэтому и слышат до 200 кГц. А большая восковая моль часто становится добычей летучих мышей, поэтому ей пришлось развить слуховой диапазон до 300 кГц, чтобы избегать встреч с ужасом, летящим на крыльях ночи. Кошка слышит ультразвук, потому что многие грызуны общаются на высоких частотах, а киты слышат инфразвук, чтобы общаться самим, потому что низкочастотные волны лучше передаются на большие расстояния.[4]

 Фундаментальная частота голоса мужчины — в районе 80-150 Гц, женщины — 150-250 Гц. Однако телефонные линии обрезают в звуке все, что ниже 300 Гц и выше 3,5 кГц. Почему? Потому что кроме фундаментальной частоты есть еще обертона. Это призвуки, которые появляются из-за того, что у человека звучат не только голосовые связки, но и гортань, голова, да и все тело целиком. Обычно они находятся выше основного тона, поэтому так и называются. У мужчин обертона голоса достигают 4 кГц, у женщин — 5-6 кГц. Они сильно влияют на звучание, благодаря им мы можем отличить одного человека от другого и даже определить по голосу его телосложение. Соответственно, именно они, а не фундаментальный тембр, важны для телефонных переговоров.[3]

Однако, как и в случае с человеческим голосом, решающую роль играют обертона. Они также зависят от «телосложения» инструмента — его габаритов, плотности дерева или металла, массы и т. п. Ведь когда нажимаешь клавишу ля на фортепиано — звучит не чистый синус, а весь инструмент целиком, включая и ноты ля в других октавах — они начинают колебаться в унисон. На этом эффекте основано звучание ситара — у него есть дюжина резонирующих струн, производящих характерный звон.[2]

Более того, даже части самой струны, кратные ее длине, начинают колебаться в унисон. К примеру, половина, треть, четверть, пятая части струны будут издавать обертона на октаву или несколько октав выше фундаментальной частоты[приложение 1].

I.4различия звуковых колебаний в разных видах музыки

Стоит сказать, что не всегда гармоники и обертона делают музыку лучше. Слышимый диапазон можно представить себе, как тесный лифт, инструменты — как его посетителей, а обертона и гармоники — как их вес и габариты. В этом случае оркестр будет похож на группу детей — большинство инструментов не обладают большим диапазоном и занимают строго свое место, поэтому их может поместиться много.

Но в той же рок-музыке звучание инструментов многократно усиливается, обертонов становится слишком много, это больше похоже на сумоистов в пуховиках. Чтобы уместить их в лифт, нужно убрать лишнее — снять пуховики. Этим занимается звукорежиссер — он ограничивает частотный диапазон каждого инструмента фильтрами хай-пасс и лоу-пасс, а с помощью эквалайзера убирает ненужные и выделяет нужные гармоники.К примеру, электрогитары, вокал и рабочий барабан обычно ограничивают от 100–150 Гц до 8–12 кГц, бас и бочку — от 20–40 Гц до 6–10 кГц и т. п. Да, звучание каждого инструмента становится менее богатым, но за счет этого в общем миксе они не мешают, а дополняют друг друга.[1]

Появление синтезаторов дало возможность сделать чистый синус без обертонов, и уже потом обогатить его нужным количеством гармоник. Это позволило создать очень густой и четкий бас глубиной до 20 Гц, что невозможно проделать с живыми инструментами.

Таким образом в разных жанрах музыки наблюдается различная частота колебания[ Приложение 2].

II. Практическая часть

II.1 Проведение урока

После изучения явления звука следующей целью стояло проведение информативного урока, который позволил бы познакомить учащихся 9-х классов с этим явлением. Урок должен быть достаточно информативным и интересным.

II.2 Создание плана-конспекта урока «Физика звука»

Для того чтобы грамотно провести урок мне сначала нужно составить план-конспект. Он должен содержать главную информацию о материале.

План урока:

1. Организационный момент. (2 мин)

2.Постановка учебной проблемы. (3 мин.)

3. Изучение нового материала. (15 мин.)

4. Подведение итогов с музыкальными примерами. (20 мин)

Ход урока:

У: вопросы  и ответы учителя

Д: Предположительные вопросы и ответы учеников

1.                 Организационный момент 

У: Мы с вами живём в мире звуков. Мы слышим как звучит музыка, голос собеседника, как утром звенит будильник, но мы не задумываемся над тем почему мы это слышим и что такое звук. Собственно говоря, зачем нам что-то слышать, неужели это необходимо?

2.                 Постановка учебной проблемы

Д: Да, нам надо слышать, чтобы общаться.

 У: Неужели? Захотел пообщаться — напиши другу в чате.

 Д: Но ведь люди не всегда умели писать, да и не всегда существовали электронные почты и мессенджеры.

 У: Вы правы. Значит, способность слышать нам помогает общаться друг с другом. Но разве слух нужен только для этого?

 Д: Нет. По слуху можно определить где находится источник звука.

 У: Совершенно верно. Ещё на заре времён первобытный охотник пользовался слухом, чтобы определить где находится добыча. Время шло, человек развивался, но не утратил способность слышать. Но все-таки, что мы слышим и почему мы слышим нам пока не ясно. Для начала выясним, что мы слышим.

 Д: Мы слышим различные звуки.

 У: Прекрасно, а что такое звук? Звук — это наш голос, шорох листьев, звучание музыкальных инструментов.  Это продольная упругая волна, вызывающая звуковые ощущения.

3. Изучение нового материала.

 У: Совершенно верно. Давайте на примере музыкальных инструментов разберём, что же такое звук. Итак, у меня в руках гитара.(учитель играет мелодию на гитаре) Что вы сейчас слышали ?

 Д: Мы слышали, как звучала гитара.

 У: А почему она звучала?

Д: Вы дёргали её за струны.

 У: Да, но что при этом происходит со струной? (для наглядности дёрнуть  одну струну )

Д: Струна колеблется.

У: Правильно. Но почему мы слышим эти колебания?

Д: Потому что они распространяются в упругой среде.

У: А что может служить источником звука?

Д: Любое колеблющееся тело.

У: А благодаря чему мы можем слышать звук?

 Д: Благодаря нашим барабанным перепонкам.

 3.Изучение нового материала.

У: Теперь приступим к изучению нового материала. Звук это колебания, а колебания можно описать при помощи некоторых параметров, а именно: период, частота, амплитуда. Период это время, за которое совершается одно полное колебание. Частота это число колебаний, совершённых в единицу времени. Амплитуда это максимальное отклонение колеблющейся точки от положения равновесия.

 У: Можем ли мы описывать звук этими параметрами?

 Д: Конечно можем, ведь звук это колебания.

 У: Совершенно верно. Теперь попытаемся выяснить, от чего зависит частота звука. Для этого вспомним предыдущий урок, в конце которого я задал вам вопрос: почему у мужчин голос грубее, а у женщин нежнее? Вы нашли ответ?

 Д: Мы нашли, что голос порождается голосовыми связками.

У: Давайте это выясним. Для этого снова обратимся к музыкальным инструментам. Рассмотрим колебания одной струны (возбуждаются колебания струны на гитаре). Вы запомнили, как она звучит?

 Д: Да. У: Теперь послушайте колебания этой же струны (струна зажимается пальцем). Между этими двумя звуками была разница?

Д: Да, второй звук был выше.

У: Совершенно верно, а почему?

Д: Потому, что вы зажали струну.

 У: Т.е. я уменьшил её длину. Изменяя длину источника звука, мы меняем и частоту колебаний звука. Причём чем меньше длина источника звука, тем больше частота колебаний, и следовательно звук выше.

У: Но звуки отличаются не только частотой, послушайте. (играются звуки на различных струнах, сначала на нижних, затем на верхних) Вы заметили разницу между звуками?

 Д: Да. Последние звуки, частота которых больше как-то пищат, а первые, частота которых меньше, звучали насыщенно, густо.

У: Совершенно верно. Насыщенность звука, густота его звучания называется тембром звука. Дело в том, что когда извлекается звук, мы слышим не только звук определённой частоты, но звук с множеством гармоник. Гармоники — это звуки, с частотами, кратными частоте основного звука. Так, например если я играю звук ля первой октавы, частота которого 440 Гц, то вы слышите звуки с частотами 440 Гц, 880 Гц, 220 Гц, 1320 Гц и т.д. Также важной характеристикой звука является интенсивность. Интенсивность — это энергия звуковой волны, прошедшей за единицу времени, через единицу площади некоторой поверхности, перпендикулярной направлению распространения волны. Единица измерения интенсивности Белл, по имени американского изобретателя телефона А.Г. Белла. На практике чаще используют дБ, 1Б=10 дБ. Человеческий шепот соответствует уровню интенсивности в 20-30 дБ, разговор 40-60 дБ, крик 80 дБ. При интенсивности выше 75 дБ человек испытывает дискомфорт. В области дискомфорта лежат уровни интенсивности звуков, издаваемых отбойным молотком (90 дБ), шумом в поезде метро (80-90 дБ). При уровне интенсивности более 130 дБ, человек начинает испытывать боль, долговременное воздействие звуков с таким уровнем интенсивности может привести к потере слуха (Привести таблицу на доске). Также разная частота звука влияет на разные органы человека. Разную частоту звучания можно привести по примерам музыки разных музыкальных групп. Так тяжелая музыка вызывает агрессию , а классическая музыка – умиротворение, иногда даже  сонливость ( Привести примеры музыки). Хотя тяжелая музыка весьма подойдёт не всем, она является хорошим стимулятором во время тяжелых нагрузок или тренировок. Воздействуя на сердце, она усиливает сердцебиение, появляется нужда двигаться, бегать. Это очень эмоциональная музыка.

4.Подведение итогов

У: Итак, подведём итоги нашего занятия. Что нового вы сегодня узнали?

Д: Мы узнали, что частота колебаний зависит от размеров источника звука, узнали что тембральная окраска определяется количеством гармоник. Узнали, что громкость звука измеряется в сонах, а интенсивность в децибелах.   Мы узнали, что звук способен отражаться от препятствий, чем более упругий материал, тем сильнее он отражает звук, благодаря отражению звука мы можем слышать эхо. На способности звука отражаться от препятствий основана эхолокация.  [Приложение 3]

II.3 Создание таблицы с разными музыкальными группами и их средней частоты звучания.

В процессе создания урока «Физика звука» я понял, что в будущем без моей помощи провести этот урока с музыкальным сопровождением. Чтобы устранить эту проблему я решил создать таблицу с разными музыкальными группами в разных жанрах, чтобы на примере показать различие в них средней частоты звучания.

Для создания таблицы мне потребуется:

1)                устройство с записью музыки

2)                телефон, чтобы произвести замер частот звучания произведения ( Для измерения было выбрано приложение «Spectroid»

Заключение

В процессе работы над проектом я узнал много нового о такой области физики, как акустика. Также я попробовал себя в роли учителя и научился грамотно подбирать информацию для создания конспектов. Я надеюсь, мой урок будет в дальнейшем использоваться для закрепления знаний у учеников 9-х классов.

Список источников

1)                 Звук // ru.wikipedia.org[Электронный ресурс] Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%B2%D1%83%D0%BA\

2)                Последствия громкого звука //Sluh.by[Электронный ресурс] Режим доступа: https://sluh.by/news/kolonka-vracha/opasnost-gromkih-zvukov

3)                Частоты вибраций тела и органов человека // Econet.ru [Электронный ресурс] Режим доступа: https://econet.ru/articles/132316-chastoty-vibratsiy-tela-i-organov-cheloveka

4)                Физика звука // element.ru [ Электронный ресурс] Режим доступа: https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/435858/Fizika_zvuka

Приложения

Приложение 1:

Приложение 2:

Приложение 3: