Урок по физике для 9 класса «Звуковые волны. Скорость звука»

Урок по физике для 9 класса «Звуковые волны. Скорость  звука»  Разработана учителем физики МОБУ СОШ  №20 г.Сочи  Варданян Н.А.__ Тема урока: Звуковые волны. Свойства звука. Цели урока:     Ознакомить учащихся с примером механических волн – звуковых. Дать понятие о свойствах звука. Рассказать о «звуковых характеристиках» человека и животных. Опираясь на знания учащихся по анатомии человека выяснить  механизм слуха. Определить значение звука в различных видах искусства и жизни  человека. Методы обучения: Беседа. Рассказ. Демонстрация опытов. Наблюдение явлений.  Обобщение наблюдений. Записи на доске и в тетрадях. Демонстрации: 1) Виды волн; 2) Источники звуковых волн; 3) Затухание звука при откачивании воздуха; 4) Возбуждение звуковых волн голосовыми  связками (по плакату); 5) Восприятие звуковых волн ухом  (по  плакату); 6) Демонстрация звуковых волн различных частот; 7)  Использование звуковых волн в музыке. Оборудование: Демонстрационное: телефон, громкоговоритель, различные  музыкальные инструменты, камертон, колокол вакуум насоса,  насос Комовского, генератор звуковых волн, молоточек  камертона, магнитофон, соединительные провода, плакаты:  «Гортань», «Ухо». Литература:     1. Перышкин А.В. Физика: Учебник для 9 класса средней школы. –  М.: Просвещение, 1992. 2. Демонстрационный эксперимент по физике в средней школе  /Под ред. А. А. Покровского. — М.: Просвещение, 1978.                              3. В.А.Волков . Поурочные разработки по физике. 9 класс Структура урока:1. Организационный момент……………………….2 мин. 2. Повторение ……………...…………………………..10 мин. 3. Демонстрации…………………………………………5 мин 4. Изучение нового материала…………………………20мин.                             5. Закрепление……………………………………………6 мин.                              6. Подведение итогов урока.   Задание на дом…………2 мин. 1.Организационный момент.  Ход урока. 1)     Приветствия учащихся. 2)     Сообщение темы и целей урока.  2. Повторение.   Учитель. Человек живет в мире звуков. Звук — это то, что слышит ухо. Мы  слышим голоса людей, пение птиц, звуки музыкальных инструментов, шум леса,  гром во время грозы. Звучат работающие машины, движущийся транспорт и т. д. Что такое звук? Как он возникает? Чем одни звуки отличаются от других?  Сегодня мы постараемся определить, что такое звук, но сначала повторим  предыдущие темы. Скажите, что называются колебаниями? Ученик. Колебания — процессы, повторяющиеся через одинаковые промежутки  времени относительно среднего положения. Учитель. Какими величинами характеризуются колебания? Ученик. Амплитудой, частотой и периодом колебаний. Учитель. Верно, а что называются волнами? Ученик. Распространение в пространстве колебаний от точки к точке, от частицы к частице называется волной. Учитель. Какие виды волн бывают? Ученик. Волны бывают двух видов: Продольные и поперечные. Учитель. Какими величинами характеризуются волны? Ученик. Амплитудой, частотой и периодом, длиной волны и скоростью  распространения волны. Учитель. Все верно. Приступим, теперь к изучению нового материала.   3. Демонстрации. Звучание музыкальных инструментов (запись на диске). 4.Изучение нового материала.   Учитель. Раздел физики, в котором изучаются звуковые явления,  называется акустикой. Услышав какой­то звук, мы обычно можем установить, что он дошел до нас от  какого­то источника. Рассматривая этот источник, мы всегда найдем в нем что­то  колеблющееся. Если, например, звук исходит от репродуктора, то в нем колеблется мембрана — легкий диск, закрепленный по его окружности. Если звук издает  музыкальный инструмент, то источник звука — это колеблющаяся струна,  колеблющийся столб воздуха и др. (Демонстрируются возникновение звуковых  волн с помощью музыкальных инструментов, звукового генератора и др.) Но как звук доходит до нас? Очевидно, через воздух, который разделяет ухо и  источник звука. Но распространяющиеся колебания—это волна. Следовательно,  звук распространяется в виде волн. И кое­что о звуковых волнах мы можем сразу  сказать. Если звуковая волна распространяется в воздухе, значит — это волна про­ дольная, 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. На рисунке 170 показана  такая волна сгущений и разрежении. То, что воздух — «проводник» звука, было доказано опытом, поставленным в  1660 г. Р. Бойлем. Если откачать воздух из­под колокола воздушного насоса (рис.  171), то мы не услышим звучания находящегося там электрического звонка.  (Демонстрируются затухание звуковых волн при откачивании воздуха из под  колокола воздушного насоса.) 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 слы­ шен, если приложить ухо к рельсу. Если звук — это волна, распространяющаяся в воздухе, то он должен возникать  всякий раз, когда частицы воздуха приходят в колебательное движение.  Размахивание руками, например, тоже должно было бы вызвать звук: ведь машущие руки заставляют частицы колебаться. Известно, однако, что размахивание руками  не воспринимается ухом как звук, хотя волна при этом возникает. Объясняется это  тем, что ощущение звука создается только при определенных частотах колебаний в  волне. Опыт показывает, что для органа слуха человека звуковыми являются толь­ ко такие волны, в которых колебания происходят с частотами от 20 до 20 000 Гц.  Размахивать руками 20 и более раз в секунду никто не может!                                   Рис. 1. Ухо человека. Человек – существо разумное, оно наделено средствами общения: голосовыми связками для возбуждения звуковых волн и ушами для их приема. 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.  (Демонстрируются (по плакату) возникновение звуковых волн с помощью гортани и преобразование звука в нервные импульсы при помощи барабанных перепонок.) Звуки бывают разные. Мы легко различаем свист и дробь барабана, мужской  голос (бас) от женского (сопрано). Чем же отличаются звуки друг от друга? Об одних звуках говорят, что они низкого тона, другие мы называем  звуками высокого тона. Ухо их легко различает. Звук, создаваемый большим  барабаном, это звук низкого тона, свист — звук высокого тона. Простые измерения (развертка колебаний) показывают, что звуки низких тонов — это колебания малой  частоты в звуковой волне. Звуку высокого тона соответствует большая частота  колебаний. Частота колебаний в звуковой волне определяет тон звука. Таб. 1. Частота колебаний крыльев насекомых и птиц в полете. Частота  колебаний        крыльев      насекомых  и  птиц  в полете, Гц Аисты Бабочки капустницы Воробьи  Вороны Жуки майские Колибри  Комары   Существуют особые источники звука, испускающие единственную частоту, так  Мухи комнатные  Пчелы  Пчелы со  взятком Саранча Слепни   Стрекозы Шмели 2 до 9 до 13 3—4 45 50 300— 600 190—330 200—250 до  440 20 100 38—100 180—240 называемый чистый тон. Это камертоны различных размеров — простые  устройства, представляющие собой изогнутые металлические стержни на ножках  (рис. 172). Чем больше размеры камертонов, тем ниже звук, который он испускает  при ударе по нему. Различные животные по разному воспринимают звуковые волны. (Демонстрируется таблица «Диапазоны слышимых звуков». В таблице приведены  примерные диапазоны механических колебаний в упругой среде, воспринимаемых  органами чувств некоторых животных.) Рис. 2. Камертон.         Таб.2 Диапазоны слышимых звуков.                                                                       Диапазоны слышимых звуков. Диапазоны механических колебаний в упругой среде, воспринимаемых органами чувств некоторых животных.     Кузнечик Лягушка Сверчок Человек Диапазон   частот, воспринимаемых органом слуха, Гц 16­20000   2—4000   10­100000   50—30 000   Звуки даже одного тона могут быть разной громкости. С чем связана эта ха­ рактеристика звука? 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. Но связь между громкостью и амплитудой не простая.                    Рис. 3. Область слухового    восприятия доступная   нормальному уху человека.              Самый слабый еще слышимый звук, дошедший до барабанной перепонки, приносит в 1 с энергию, равную примерно 10­16 Дж, а  самый громкий звук (реактивного ракетного двигателя в нескольких метрах от  него) — около 10­4 Дж. Следовательно, по мощности самый громкий звук примерно в тысячу миллиардов раз превосходит   самый слабый. Но этого нельзя сказать о  громкости звука. О звуках вообще нельзя сказать, что один из них в два, в три, а  тем более в миллионы или в миллиарды раз громче другого. О звуках различной  громкости говорят, что один громче другого не во столько­то раз, а на столько­то  единиц. 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. (Демонстрируется рисунок 3 «Область слухового  восприятия доступная    нормальному уху человека.) Скорость звука. Как и всякая волна, звуковая волна характеризуется  скоростью распространения колебаний в ней. С длиной волны  и частотой  колебаний , скорость V связана уже известной нам формулой: V=v. Скорость звука различна в различных средах (веществах). Так, в воздухе при  температуре 20 °С скорость звуковых волн (любых длин волн) равна 340 м/с. В  других средах она может быть иной. В таблице приведены данные о скорости звука  в разных средах. Частицы жидкости, в которой распространяется звуковая волна, совершают  вынужденные колебания с частотой, «навязанной» им колебаниями в источнике  звука. Но длина волны даже одного и того же звука в разных средах различна,  потому что различны скорости звука.   Таб.3. Скорость звука в различных средах. Вещество Воздух (при 20 °С) Скорость звука, м/с 343,1 Водород Вода Железо Резина Морская вода 1284 1483 (при 20 °С) 5850 1800 1530 (В заключении демонстрируется таблица 4: «Звуковые параметры человека».) Табл. 4. «Звуковые параметры человека.» Мощность голоса, Вт. тихий шепот  речь обычной громкости предельная громкость  Интенсивность   звука   при   пороге   слышимости,   Вт/м2.    Интенсивность звука при пороге болевого ощущения, Вт/м2      Частоты, к которым ухо имеет наибольшую чувствительность, Гц Частотный диапазон при обычном разговоре, Гц: у мужчин у женщин Примерное число колебаний голосовых связок при пении, Гц бас баритон тенор       сопрано детский голос колоратурное сопрано Длина голосовых связок у певцов, см бас  тенор  сопрано  Рекордная высота звука женского голоса (при пении), кГц  Скорость звука в тканях тела, м/с   l0­9 7*l0­6 2* l0­3 l0­12 10 ­ 100 1600­ 4000   85 ­ 200 160 ­ 340   80 ­ 250 110 ­ 400 130 ­ 520 260 ­ 1050 260 ­ 1050 330—1400   2,5 1,7—2,0 1,5 2,35 1530 ­ 1600 5. Закрепление. Вопросы на закрепление. 1.    Почему во время грозы сначала видим молнию и лишь потом слышим гром? Ответ:  Молния и гром происходят одновременно, свет распространяется очень  быстро ( скорость света 300000км/с), а звук 343 м/с при 20°С. Поэтому мы во время грозы сначала видим молнию, а потом слышим гром. 2.     От чего зависит скорость звука в газах? Ответ:  Скорость звука зависит от температуры среды: с увеличением температуры  воздуха она возрастает. В разных газах скорость звука различна: чем больше масса  молекул газа, тем меньше скорость в нем (в водороде ­ 1284 м/с, а в кислороде ­  316м/с). 3.    Почему «слухарями», которые в древние времена следили за земляными  работами противника, часто были слепые люди? Ответ:  У слепых людей очень развит слух. Поэтому «слухарями» выбирали слепых  людей. 4.   Что такое камертон? Ответ:   Камертон был изобретен в начале XVIII века для настройки музыкальных  инструментов. Стандартный камертон выдает волны с частотой 440Гц. 5. Проверочная работа (Приложение №1) 6. Подведение итогов урока.   Задание на дом . 1. Выучить §34,38 2. Упражнение. 32 (3,4) 3.  Фронтальная лабораторная работа: Снарядить детский телефон­ два спичечных коробка с натянутой между ними  ниткой и объяснять как он действует. Приложение №1 5. Проверочная работа 1 вариант «Звук. Распространение звука.» 1. Динамик подключен к выходу звукового генератора электрических колебаний. Частота  колебаний 680 Гц. Определите длину звуковой волны, зная что скорость звуковой волны в воздухе 340 м/с? а) 0,5м; б) 1м; г) 231200м. Дано: v = 680 Гц ʋ 340м/с ­?ƛ 2. Могут ли звуковые волны распространяться в безвоздушном пространстве? а) могут, например звук выстрела в безвоздушном пространстве; б) не могут: звуковые волны распространяются только в веществе; г) могут, если звуковые волны  поперечные. Ответ: б) Решение: ƛ = v/ʋ ƛ = 340м/с  hhhh=  СИ: : 680 Гц = 0,5 м Ответ: а) 3. Скорость звука в воздухе равна: а) 300км/с б) 30км/с в) 340 м/с Ответ: в) 4. Частота звуковой волны 800Гц. Скорость звука 400м/с. Найдите длину волны. а) 0,5м б) 1м, в) 1,5м г) 2м. Дано:             СИ:        Решение: v = 800 Гц                    ƛ = v/ʋ ʋ = 400м/с                    ƛ = 400м/с: 800 Гц = 0,5 м ƛ ­ ?                                              Ответ: а) 5.Какова примерно самая высокая частота звука, слышимого человеком? а)2Гц б) 20000Гц в) 200000Гц Ответ: б) Приложение №1. 2 вариант 1. Ультразвуковой сигнал с частотой ЗОкГц возвратился от дна моря на глубине 150 м  через 0,2с. Какова длина ультразвукового сигнала ? а) 50м б) 0,05м в) 0,025м г)25м. Дано: СИ: v = 30 кГц 30000Гц h =150м t = 0,2 с  ƛ ­ ?                                       Ответ: в) 2. По поверхности воды распространяется волна, расстояние между ближайшими  «горбами» 4м. Какова длина волны? а) 2м б) 4м в) 1м                                             Ответ: б)  ƛ = 750 м/с : 30000 Гц = 0,025м Решение: v = h/t v =150M ƛ  = v/u : 0,2 с = 750 м/с 3. Какова скорость света? а) 3000км/с б) 1000000км/с в) 300000км/с Ответ: в) 4. Какой диапазон называется звуковым? а) от 20Гц до 2000Гц б) от 20Гц до 20000Гц г) от 20Гц до 2000000Гц. Ответ: б) 5. Какова скорость распространения волны, если длина волны 2м, а частота 200Гц? а) 100м/с б) 200м/с в) 300м/с г) 400м/с д)500м/с Дано:             СИ: ʋ = 200 Гц ƛ  = 2м v ­? Ответ:  г) Решение: v = ƛ• ʋ v = 2 м • 200 Гц = 400 м/с