Урок физики в 8-9 классах на тему "Звуковые волны"

Урок физики на тему: «Звуковые волны. Звук в различных средах». ЦЕЛИ УРОКА:  повторить механические волны, механизм их возникновения, характеристики, виды механических волн;  рассмотреть звуковые волны в качестве примера механических волн;  изучить источники и характеристики звуковых волн;  провести   эксперименты   и   исследования   зависимости   скорости   звуковых   волн   от среды их распространения и от плотности и температуры вещества; закрепить изученный материал.  ОБОРУДОВАНИЕ:  листы­схемы,   листы­карточки   с   дополнительным   материалом, камертон, резиновый молоточек, штатив, нить с бусинкой, изображения «Гортань» и «Ухо», трубка, раковина, модель скрипки, «камин» из картона, костюмы для Шерлока Холмса и доктора Ватсона, поднос, чашки с чаем, запись музыки.  ХОД УРОКА. Звучит   музыка   из   кинофильма   «   Приключения   Шерлока   Холмса   и   доктора Ватсона».  Шерлок Холмс и доктор Ватсон сидят у камина, Холмс курит трубку. За окном слышен шум дождя. Ватсон: ­ Прескверная погода! В это время нет ничего лучшего, чем сидеть у камина. Холмс:  ­ В такую погоду я вспоминаю прекрасные дни, проведенные у моря. Ласковое солнце,   теплый   песок   и   шум   набегающей   на   берег   волны…   Кстати,   Ватсон,   хотите послушать шум моря? Холмс   достает   большую   морскую   раковину   и   дает   ее   Ватсону.   Ватсон прикладывает ее к уху. Ватсон: ­ Не понимаю. Откуда берется этот шум, Холмс? Холмс:  ­   Это   элементарно,   Ватсон.   Вы   слышите   иллюзию   звуков   океанского   прибоя… Впрочем, давайте разберемся по порядку в том, что такое звук и откуда он появляется в раковине… Учитель: ­ Буря мглою небо кроет,                     Вихри снежные крутя;                    То, как зверь, она завоет,                     То заплачет, как дитя,                    То по кровле обветшалой                    Вдруг соломой зашумит,                     То, как путник запоздалый,                     К нам в окошко застучит… …Человек   живет   в   мире   звуков…   Мы   слышим   голоса   людей,   пение   птиц,   звуки музыкальных инструментов, гром во время грозы… А что же такое звук, как он образуется, какие   величины   его   характеризуют?   Это   мы   выясним   на     сегодняшнем   уроке.   А   еще поговорим о том, каковы причины  некоторых природных явлений, которые вызывают у людей слуховые ощущения. Тема нашего урока «Звуковые волны». Нам с Вами предстоит большая работа. Поэтому мы заранее разделились на группы по интересам: кому что ближе. У   нас   есть   ТЕОРЕТИКИ   (1­й   ряд),   отвечающие   за   теоретический   материал   урока, ИССЛЕДОВАТЕЛИ   (2­й   ряд),   которые   будут   проводить   физические   эксперименты   и подтверждать своими данными теоретический материал, а также ПРАКТИКИ (3­й ряд), которые расскажут нам о том, где звуковые волны встречаются в окружающем нас мире. Для того чтобы довольно большой материал этой темы, вернее, его основные моменты, остались у Вас в записях, мы в процессе урока будем заполнять схему, приведенную на доске и заранее заготовленную у Вас на листках. …(СХЕМА «Звуковые волны»). Так что же такое звук? К доске выходит Теоретик 1 и сначала проговаривает, а потом записывает в схему определение звуковых волн. Теоретик 1: ­ Звуковые волны или звук – это упругие механические волны, вызывающие у человека слуховые ощущения. Учитель:  ­ Мы с Вами знаем два вида волн. Какие? (Ответ: продольные – механические волны,   направление   совершения   колебаний   в   которых   совпадает   с   направлением распространения   волны;   поперечные   ­   механические   волны,   направление   совершения колебаний в которых перпендикулярно направлению распространения волны) Совершенно верно. Так вот: в газах и жидкостях звуковые волны распространяются в виде продольных волн, а в твердых телах – в виде поперечных (записывает это в схему). Почему   же   возникают   звуковые   волны?   Это   происходит   из­за   попеременного   сжатия   и растяжения среды (записывает это в схему), то есть из­за того, что в среде возникают возмущения   (механические   колебания   среды).   И   эти   возмущения   передаются   от   одних частей среды другим. Таким образом, из­за периодической деформации среды и действия в ней силы упругости, в среде возникают упругие механические волны, которые мы зрительно не видим, зато воспринимаем на слух. Давайте проведем опыт, который доказывает, что звук – это возмущение среды. К доске выходит Исследователь 1. Исследователь   1:  ­   На   штативе   на   нитке   висит   бусинка.   При   ударе   по   камертону резиновым   молотком,   образуются   звуковые   волны.   Мы   видим,   что   бусинка   на   нитке приходит   в   движение.   Это   доказывает,   что   звуковые   волны   есть   возмущение   среды,   в данном случае, воздуха. Вновь звучит музыка из кинофильма « Приключения Шерлока Холмса и доктора Ватсона». Шерлок Холмс и доктор Ватсон сидят у камина, Холмс продолжает курить. Ватсон: ­ Теперь я понял, Холмс. Окружающий устье раковины воздух я, поднося к уху, возмущаю, тем самым, возбуждая колебания воздуха и в самой раковине. Вот это­то и создает иллюзию шума моря. Холмс:  ­   Абсолютно   с   Вами   согласен,   друг   мой.   Наше   ухо   –   уникальный   приемник звуковых волн.  К доске выходят Практик 1 и Исследователь 2 и рассказывают о строении уха (Приложение 1) и слухе. Исследователь   1:  ­  Звуковые   колебания,   проходя   через   наружный   слуховой   проход (наружное   ухо),   вызывают   колебания   барабанной   перепонки.   Возникшие   механические колебания   приводят   к   колебаниям   улитковой   перегородки.  При   высоких   частотах наблюдаются колебания максимальной амплитуды у основания улитки внутреннего уха, при низких ­ у её вершины).  К доске выходит Теоретик 2. Теоретик 2: ­ Источником же звуковых волн может являться любое тело, в котором есть что­то колеблющееся. Существуют два вида источников  звуковых волн: естественные  и искусственные (записывает в схему). К доске выходит Практик 2. Практик 2:  ­ Прекрасным примером естественного источника звука является   гортань, строение которой приведено на рисунке (Приложение 2). К доске выходит Исследователь 3 и рассказывает о голосе. Исследователь 3:  ­ Началу любого звукоизвлечения предшествует смыкание  голосовых связок. При этом повышается внутритрахеальное давление; в момент, когда оно превысит силу натяжения голосовых связок, происходит прорыв внутритрахеального воздуха через голосовую щель, связки начинают вибрировать, приводя в колебание воздух, находящийся выше них. Практик 2 (продолжает): ­ К искусственным источникам звука относятся камертон, сирена и т.д. (записывает в схему). Учитель:  ­  Звуковые   волны,   поскольку   они   являются   механическими,   имеют   такие   же характеристики. Давайте их перечислим. К доске выходит Теоретик 3. Теоретик 3: ­ К характеристикам звуковых волн, как и механических, относятся (запись  в схему):   длина   волны  λ,   которая   определяется   по   формуле  λ=v*T,   где   Т   –   период   – следующая   характеристика   звуковой   волны,   также   частота  ν,   звуковые   волны, воспринимаемые человеком имеют определенный диапазон частот: от  16 Гц до 20 кГц. Еще одна характеристика звуковых волн – скорость v. К доске выходит Теоретик 4. Теоретик   4:  ­   Скорость   звуковой   волны   зависит   от   среды   распространения   (запись   в таблицу): в газах она наименьшая, а в твердых телах – наибольшая. ( В это время к доске выходит  Исследователь 4 и прикрепляет к записям листы­таблички, озвучивая их). ВОДА 1483 М/С ЖЕЛЕЗО 5820 М/С ВОЗДУХ 343.1 М/С Ватсон:  ­ Знаете, Холмс, размышляя о звуке, я вспоминаю свое путешествие в Северную Америку.   Провожатым   нашей   группы   был   индеец   по   имени   Джо.   Шериф   одного   из захолустных городков организовал за нами погоню из­за того, что мы отказались платить ему так называемый «подорожный» налог. В нашей  компании  была небезызвестная Вам мисс Теллер, которая ужасно боялась того, что нас могут догнать. И даже заверения в безопасности нашего провожатого, который периодически припадал ухом к земле, не могли ее переубедить. Холмс: ­ К сожалению, Ватсон, девушки в наше время не увлекаются физикой. Иначе Ваш мудрый провожатый, вернее, его действия успокоили бы ее. Согласны? Ватсон: ­ Не знаю. Об этом надо подумать. Учитель: ­ Что же мистер Холмс имеет в виду? Объясните, почему индеец не беспокоился о погоне. (Ответ: индеец припадал ухом к земле. Так как земля – твердое тело, то по ней звук   от   топота   копыт   лошадей   приближающейся   погони   распространился   бы   гораздо быстрее,  чем  по  воздуху, раз топота  не было  слышно,  всадники  шерифа были далеко.) Давайте   подумаем,   на   каком   минимальном   расстоянии   Джо   мог   бы   услышать   топот всадников, если скорость звука в земле приблизительно 3600 м/с при температуре 20  оС? (Ответ: на расстоянии 3600 м) К доске выходит Теоретик 5.  Теоретик 5: ­ Кроме этого, скорость звука зависит от температуры среды (запись в схему).  К доске выходит Исследователь 5, который прикрепляет к схеме листы­таблички и озвучивает их. ВОЗДУХ t=10 оС 337 М/С Учитель:  ­ Ребята, интересно, сколько бы времени понадобилось звуку для преодоления расстояния в 3600 м (из предыдущего задания) по воздуху при температуре 10 оС? А при температуре 40 оС? (Ответ: 10,68 с при температуре 10 оС; 10, 16 с при температуре 40 оС)  продолжает    ): ­ Скорость звука зависит также от плотности среды (запись в Теоретик 5 (   схему). К доске выходит Исследователь 6 с вопросом «Январский перезвон». Исследователь   6:  ­     Стужа   сковала   большое   озеро.   У   самого   его   берега   любитель подледного   лова   ожидает   поклевки.   Внезапно   его   внимание   привлекает   отдаленный колокольный звон. Он раздается с колокольни, расположенной на противоположном берегу озера. Рыбаку это кажется странным. Когда он рыбачил летом, звон сюда не доносился. Почему же он слышен так хорошо зимой? (Ответ: скорость распространения звука зависит от плотности вещества. В более плотных средах скорость распространения звуковых волн больше. Волна успевает проходить большее расстояние не затухая.)  Звучит музыка: Холмс играет на скрипке. Входит миссис Хадсон с подносом. Дверь ужасно скрипит. Холмс перестает играть. ВОЗДУХ t=40 оС 354 М/С покоя   не   зная,   людям   привычно, Ватсон: ­ Какой отвратительный скрип у этой двери! Он раздражает нервную систему! В отличие от Вашей прекрасной мелодии, которая наполняет душу покоем и умиротворением. Холмс:  ­ И это несмотря на то, что мелодия и скрип – это одно и то же, а именно звук. Хотя чем­то они и отличаются. Учитель:  ­   Мистер   Холмс   прав.   Мы   с   Вами   рассмотрели   характеристики,   которые описывают звук как механическую волну. Но есть такие физические величины, которые характеризуют   только   звук   и   ничего   больше   –   это   «характеристики,   присущие   только звуку» в нашей схеме. К ним относятся: громкость – определяется амплитудой колебаний в звуковой   волне,   единицей   ее   измерения   является   1   сон   (запись   в   схему).   Следующая индивидуальная характеристика звука – интенсивность. Она показывает энергию, которую переносит  звуковая волна за 1 секунду через площадь 1 м2  (запись в схему). И последняя характеристика   звука   –   высота   –   определяется   частотой   колебаний   в   звуковой   волне (запись в схему). Выступает Практик 3 с сообщением о шумах. Практик   3:  ­   Шумами   называются   звуки,   образующие   непрерывный   набор   частот, заполняющих некоторый интервал (скрип дверей, визг пилы, шипение змеи и т.д.).  В   клубе,   в   аптеке,   в   кино,   в   магазине,   где   на   пружине,   где   на   резине Хлопают   двери,   словно   в   трамвае. Входят, выходят, а дверь за собою никто не придержит, никто не прикроет. Учатся дети скверной манере. Хлопают двери, хлопают двери...  Хлопают, бухают, словно взбесились...                                                                 И. Васильевский. Такое раздражающее действие шума наносит человеку такой же вред, как ослепительный свет,   ядовитый   газ,   ожог.  В   крупных   городах   свыше   60%   населения   жалуются   на чрезмерный шум. Под постоянными резкими ударами звуковых волн барабанная перепонка колеблется с большой амплитудой. Из­за этого постепенно теряется  ее эластичность, слух притупляется. Через орган слуха шум действует на центральную нервную систему и может вызвать разнообразные нарушения ­ физиологические (усиление сердцебиения, повышенное давление)   и   психические   (ослабление   внимания,   нервозность).  Длительное   воздействие шума является одним из факторов, способствующих развитию язв и даже инфекционных заболеваний.   ): ­ Различают инфразвук – механические волны, частота колебаний  продолжает   Учитель (   в которых меньше 16 Гц, и ультразвук – механические волны, частота колебаний в которых больше   20   кГц.   О   них,   и   подробнее   о   громкости,   интенсивности   звука   и   высоте   Вы поговорите   на   следующем   уроке.   А   сейчас   дадим   слово   нашим   уважаемым   практикам, которые расскажут нам об интересных звуковых явлениях в природе, и зададут вопросы, на которые мы вместе попытаемся ответить. Выступает Практик 4 с сообщением «Эхо». Практик 4:  ­ Хочется процитировать стихотворение А. С. Пушкина, которое называется «Эхо». «Ревет ли зверь в лесу глухом, трубит ли рог, гремит ли гром, поет ли дева за холмом ­ на всякий звук свой отклик в воздухе пустом родишь ты вдруг. Ты внемлешь грохоту громов, и гласу бури, и волов, и крику сельских пастухов… И шлешь ответ; тебе ж нет   отзыва…».  В   греческой   мифологии   это   нимфа,   с   именем  которой   связывали происхождение эха. Нимфа, наказанная Герой за болтовню, умела произносить только концы слов,   не   зная   их   начала.   У   Овидия   рассказана   история   Эхо,   влюбленной   в   Нарцисса   и истаявшей от любви, но сохранившей голос, постоянно звучащий отзвуком чужих слов.  Выступает Практик 5 с сообщением «Поющие камни». Практик 5: ­ О «говорящих», «поющих» и «стонущих» камнях в истории народов можно найти   немало   любопытных   сведений.   Южноамериканские   индейцы,   например,   были убеждены, что души  умерших предков  поселяются  в скалах, и там  можно слышать  их стоны.  В   тех   местах   в   начале  XIX  века   побывал   географ   и   путешественник   Александр Гумбольдт. Он обнаружил в прибрежных скалах много узких и глубоких трещин, стенки которых были покрыты тоненькими листочками слюды. Эти­то листочки и издавали «стон». В Египте на восходе солнца звучат колонны — остатки древнего Карнакского храма.  На юго­западе   Австралии   есть   Пустыня   Кающихся   Грешников.   Здесь  из   мелкого   песка выступают тысячи необычных каменных скал, которые можно принять за толпу людей. Во время песчаной бури раздаются звуки, напоминающие страшный рев демонов, вырвавшихся из ада.   Выступает Практик 6 с сообщением «Поющие горы».  Практик 6: ­ Над горами светило горячее солнце. Тишина долины нарушалась лишь шумом падающего потока. Вдруг откуда­ то с горы раздался сильный тягучий трубный звук. Его высокий тон постепенно понижался, вплоть до басовых звучаний. Что это? Откуда несутся эти   странные   звуки?  Оказывается,   что   трубный   глас   издает...   карстовая   пещера.   В определенных случаях,  после затяжных дождей, карстовые полости заполняются водой. По мере того как вода проникает в их недра,   часть воздуха сжимается весом толщи воды. После окончания дождей поток воды уменьшается и наступает момент, когда образуется сифон, через который с силой проходит зажатый воздух. При этом часто возникают звуки. Их   усиливает   резонанс,   создаваемый   карстовыми   пустотами.   Такие   поющие   пещеры встречаются в самых различных районах мира,  где развиты карстовые пещеры. Эти звуки часто являлись предметом суеверий. Так, поющие пещеры в Греции считались обиталищем богов,  а раздающиеся из них звуки ­ предвестниками каких ­ либо событий. Выступает Практик 7 с сообщением «Поющие дюны».  Практик 7:  ­ Кто слышал как поют на ветру дюны, часто сравнивают их гулкий бас со звуками   органа.   Недавно   выяснилось,   что   природное   явление,   вызываемое   колебаниями массы   кварцевых   частичек,   таит   в   себе   ценнейшую   научную   информацию.   И   чтобы воспользоваться ею, совсем необязательно ждать ветреной погоды. Услышать музыку дюн можно,   воздействуя   на   них   ультразвуком   или   вибрационными   устройствами,   даже   с помощью   падающих   гирь.   В   ответ   на   воздействие   морской   песок   откликается низкочастотным   звуком   в   диапазоне   от   20   до  45  герц.   Возникающий   резонанс регистрируется специальной аппаратурой. В итоге получают данные, которые представляют несомненный   интерес   как   для   теории   распространения   сейсмических   волн,   так   и   для инженерных изысканий, предваряющих строительство  гидротехнических сооружений. По частоте звуковых колебаний можно распознать типы грунтов на глубине до пяти метров, уточнить пределы прочности их структур, прогнозировать оползни, сейсмически опасные нагрузки. Причем методика применима не только в прибрежных зонах или пустынях, но и под водой. Практик 8 задает вопросы классу. ВОПРОСЫ: 1. Какое   из   двух   утверждений   правильное   «Звучащее   тело   колеблется»   или «Колеблющееся тело звучит»? Ответ: первое. 2. Имеются камертоны с частотой колебаний 50 Гц и 440 Гц. Чему равны периоды их колебаний? Ответ: 1/50 с и 1/ 440 с. 3. Шум далеко идущего поезда может быть раньше услышан по рельсам или по воздуху? Ответ: по рельсам. 4. Из английской сказки "Титти­мышка и Тэтти­мышка". "А я буду            скрипеть, — сказала дверь и заскрипела. Послушай, дверь, чего ты           скрипишь? — спросило окно. Ах! — ответила дверь. — Титти умерла,           Тэтти плачет, треножка подпрыгивает, щетка метет, вот я и скриплю.            А я буду дребезжать, — сказало окно и задребезжало".           Вопросы и задания. Какие тела в этом отрывке совершают            а) механические колебания? б) звуковые колебания? Почему скрипит           дверь? Ответ: а) окно, треножка, щетка; б) Тэтти, дверь.      5.  Из словенской сказки "Почему у муравьев кривые ноги". "Стояла            холодная зима. Деревья трещали от лютого мороза, а снег под ногами           так хрустел, словно земля была усыпана битым стеклом. До костей            пробирал мороз бедных зверей".           Вопросы и задание: Назовите а) источники звуков, б) звуки; какие они.           Ответ: а) деревья, снег; б) треск, хруст.       6. "Двенадцать стульев" И. Ильф и Е. Петров.            "От пушечных звуков голоса Клавдии Ивановны дрожала чугунная             лампа с ядром, дробью и пыльными стеклянными цацками...,             Голос у нее был такой силы и густоты, что ему позавидовал бы Ричард              Львиное Сердце, от крика которого, как известно, приседали кони".            Почему дрожала лампа? Почему кони приседали? Ответ: Лампа имела             собственную частоту такую же, какую издавала Клавдия Ивановна. В             результате наблюдался резонанс. Кони приседали от испуга, так как             звук его крика был очень громкий.  Звучит музыка. Ватсон и Холмс пьют чай. Ватсон: ­ Да, Холмс, а звук, оказывается, очень непростая штука. Теперь я знаю, что это механическая волна определенной частоты, знаю, что из окружающих меня вещей может звучать и даже, что звук характеризует как механическую волну. Холмс:  ­   И   не   забудьте,   что   скорость   звука   зависит   от   среды   распространения,   ее температуры и плотности, а также, что еще звук характеризуется громкостью, высотой и интенсивностью. Ватсон: ­ Да, теперь я не буду удивляться эху и даже «пению» камней и дюн…  Холмс: ­ … О сколько нам открытий чудных готовит просвещения дух… ПРИЛОЖЕНИЕ 1.   1 – НАРУЖНЫЙ СЛУХОВОЙ ПРОХОД  2 – БАРАБАННАЯ ПЕРЕПОНКА 3 – ПЕРЕПОНЧАТЫЙ ЛАБИРИНТ 4, 5, 6 – СЛУХОВЫЕ КОСТОЧКИ 7 – ПОЛУКРУЖНЫЕ КАНАЛЫ 8 – ОВАЛЬНОЕ ОКНО 9 – УЛИТКА 10 – КРУГЛОЕ ОКНО 11 – СЛУХОВОЙ НЕРВ ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ                                                           СХЕМА «ЗВУКОВЫЕ ВОЛНЫ» МЕХАНИЗМ  ВОЗНИКНОВЕНИЯ ИСТОЧНИКИ ХАРАКТЕР­КИ (ОБЩИЕ С МЕХ. ВОЛНАМИ) ХАРАКТЕР­КИ, ПРИСУЩИЕ ТОЛЬКО ЗВУКУ НЕОБЫЧНЫЕ  ЗВУКОВЫЕ  ЯВЛЕНИЯ В ПРИРОДЕ ЭХО                                  ШУМ                    «ПОЮЩИЕ» КАМНИ        «ПОЮЩИЕ» ГОРЫ          «ПОЮЩИЕ» ДЮНЫ