Урок по физике в 9 классе «Звук: природа, восприятие, передача»

Звук: природа, восприятие, передача.

Интегрированный урок - конференция (с элементами биологии, экологии, психологии и музыки.)

Цель: рассмотреть природу звука, способы его восприятия и передачи, используя знания учащихся об органе слуха, полученные в курсе биологии.

Развивать эстетические вкусы учащихся.

Оборудование: таблица "Орган слуха", модель "Орган слуха", таблицы "Строение органа речи", "Шумы", "Устройство микрофона", диапроектор, камертон, камертон с резонаторным ящиком, микрофон, осциллограф, магнитофон (записи: 1. "Спейс", 2. космическая музыка, 3.голоса, пение птиц, лай собак, шум транспорта, приятная музыка, 4. свист, треск, шипение, дребезжание, 5.шелест листьев, рокот моря, 6. песня под гитару, 7. рок - группа, 8. "Аппассионата" Бетховена, 9. "Спейс".)

Ход урока.

Корреспондент. Мы ведём репортаж из межгалактического центра. Сейчас перед вами выступит его председатель.

Председатель. Приветствую вас, жители планет! Сегодня мы собрались выслушать отчёт возвратившейся экспедиции, которая была послана с целью изучения одной из планет Солнечной системы - Земли. Почему экспедиция была послана именно туда? Нашими службами межпланетных связей были зарегистрированы сигналы, идущие с этой планеты, а службами космического слежения был перехвачен корабль "Вояджер", на борту которого найден золотой диск, содержащий различную информацию: положение Солнечной системы относительно звёзд, изображения гуманоидов, записи звуков и шумов.

Я передаю слово командиру корабля.

Командир. Наша экспедиция была послана с целью обследования и изучения третьей планеты Солнечной системы. Чтобы не привлекать внимания землян, наш космический корабль совершил посадку на естественном спутнике планеты - Луне. Это - мир без красок и без звуков. И мы были приятно удивлены Землёй. Это - голубая планета. Форма - эллипсоид вращения, средний радиус 6400 км, масса 610²⁴ кг. Самое главное, что на Земле есть жизнь, разумная жизнь, это мир красок, звуков.

Мы привезли записи звуков. Экспедиция привезла большой материал, который сейчас изучается. Сегодня мы остановимся только на одном вопросе: "Звук: его природа, способы приёма и передачи". Передаю слово астрофизикам, моим коллегам.

Астрофизик. Гуманоид живёт в мире звуков: пение птиц, звуки музыки, шум леса. Что же является источником звука? Проведём опыт с целью показать, что источником звука являются колеблющиеся тела. Собираем установку: подключаем громкоговоритель к генератору звуковой частоты, подносим к диффузору громкоговорителя шарик для игры в настольный теннис, подвешенный на нити, наблюдаем, как он отскакивает. Почему отскакивает шарик? Его толкает диффузор, при этом мы слышим звук.

Меняем частоту сигнала от генератора и видим, что частота отскоков изменилась. Рассмотрим механизм распространения звука. Колеблющийся поршень - диффузор, толкая молекулы воздуха, создаёт области сгущения и разрежения, следовательно, звук в воздухе - продольная волна. Что является проводником звука? Рассмотрим опыт (рис. 76 учебник "Физика - 9").

Делаем вывод: для распространения звука нужна упругая среда, например воздух.

На Луне, к слову, нет атмосферы, там нет и звуков, это мир безмолвия.

Звук может распространяться в жидкой и твёрдой средах. Рассмотрим таблицу 2 из учебника на странице 125: "Скорость звука в различных средах". Из таблицы видно, что в твёрдых телах скорость распространения звуковых волн больше, чем в жидкостях, а в жидкостях больше, чем в газах. Поэтому под водой хорошо слышны шумы гребных винтов, удары камней и проч. Звук движущегося поезда можно услышать значительно раньше, если приложить ухо к рельсам.

С Земли мы привезли прибор - камертон. Это устройство, представляющее собой изогнутый металлический стержень на ножке. Если ударить по ней молоточком, то слышен слабый звук. Для его усиления ножку укрепляют на деревянном ящике, подобранном так, чтобы частота его собственных колебаний была равна частоте звука камертона. Благодаря резонансу стенки ящика начинают заметно колебаться с частотой камертона, и звук становится громче. Ящик так и называется: резонатор.

Что же такое резонанс? Это явление резкого возрастания амплитуды колебаний, когда их собственная частота совпадает с частотой вынуждающей силы. Пояснить резонанс можно, например, и так: представьте себе собаку, откликающуюся на имя Гектор. Собака лежит под столом. Вы зовёте её: "Шарик, Бобик, Рекс..." Она не отзывается. А при имени Гектор собака подаёт голос.

Итак:

источником звука являются колеблющиеся тела;

звук распространяется в упругой среде;

громкость звука можно увеличить, используя резонатор.

А сейчас я приглашаю своего коллегу - космобиолога.

Космобиолог. Рассмотрим, как устроен источник звука у землян. (Таблица "Строение органа речи"). Аналогом звукового генератора (источника переменного тока) у гуманоидов является головной мозг. Он посылает нервные импульсы к голосовому аппарату - громкоговорителю, - где функцию диффузора выполняют голосовые связки.

Голосовые связки расположены между хрящами гортани и представляют собой слизистые складки. Пространство между голосовыми связками называют голосовой щелью. Когда земляне молчат, голосовые связки расходятся и голосовая щель принимает вид равнобедренного треугольника. При разговоре, пении голосовые связки смыкаются. Под давлением выдыхаемого воздуха они начинают колебаться - рождается звук. При шёпоте они смыкаются, но не полностью.

Высота голоса человека связана с длиной голосовых связок. Чем они короче, тем больше частота их колебаний и тем выше голос. У гуманоидов женского пола голосовые связки короче, чем у мужских особей, поэтому женский голос выше. Голосовые связки могут совершать от 80 до 10000 колебаний в секунду. Окончательное формирование звуковой речи происходит в полостях глотки, носоглотки, рта и носа - это своеобразные резонаторные полости.

Голосом люди могут передавать чувства и настроение: радость и гнев, нежность и угрозу, насмешку и ласку.

Корреспондент.

• Почему не всякое колеблющееся в воздухе тело излучает звуки?

• Почему телеграфные столбы гудят при ветре?

• Зачем при проверке колёс во время стоянки поезда их простукивают молоточком?

Астрофизик. Мы выяснили, что источником звука является колеблющееся тело, он распространяется в упругой среде. А теперь выясним механизм восприятия звука. Приёмником звука может быть микрофон. (таблица "Устройство микрофона"). Преобразуемая микрофоном энергия очень мала, поэтому электрические сигналы слабы, их необходимо усиливать.

График зависимости силы тока в цепи микрофона от времени выглядит следующим образом (см. таблицу).

Итак, микрофон преобразует механические звуковые колебания в электрические. Подсоединим микрофон к осциллографу и произнесём разные звуки. Каждому звуку соответствует своя кривая на экране.

А теперь поднесём микрофон к громкоговорителю и с помощью звукового генератора будем менять частоту сигнала. Мы видим, что меняется и вид осциллограммы: с уменьшением частоты звука увеличивается период и наоборот. Следовательно, эти величины взаимообратны, как и для любой волны.

Аналогичные процессы происходят и в приёмнике звука человека.

О строении слухового аппарата землянина расскажет космобиолог.

Космобиолог. (по плакату "Орган слуха"). Приёмником звука у землян является слуховой аппарат, или орган слуха, принцип действия которого такой же, как и у микрофона. Не касаясь физиологии, остановлюсь лишь на строении слухового анализатора. Орган слуха у землян состоит из трёх отделов: наружного, среднего и внутреннего уха. Наружное ухо представлено ушной раковиной, наружным слуховым проходом и барабанной перепонкой. Его функция - улавливание звука и его передача. Среднее ухо представлено полостью объёмом 1 - 2 см³, заполненной воздухом. В этой полости имеются три подвижно соединённые друг с другом косточки - молоточек, наковальня и стремечко, причём молоточек соединён с барабанной перепонкой, а стремечко через овальное окошко - с внутренним ухом. Среднее ухо через евстахиеву трубу соединяется с носоглоткой. Это своеобразный предохранительный клапан.

При перепадах давления (подъём и посадка самолёта, погружение и подъём подводной лодки) рекомендуется открыть рот и совершать глотательные движения, так как при этом открывается евстахиева труба, и давление на барабанную перепонку уменьшается.

Внутреннее ухо находится в толще височной кости, где расположен костный лабиринт, внутри которого находится перепончатый лабиринт. Внутреннее ухо наполнено жидкостью. Оно представлено тремя полукружными каналами (это вестибулярный аппарат, он не имеет отношение к органу слуха) и улиткой - своеобразным спиральным каналом. Посередине этого канала натянута мембрана, а поперёк мембраны - волокна (наподобие лестницы). На этих волокнах расположены цилиндрические эпителиальные клетки, которые образуют кортиев орган, - на них-то и оканчиваются волокна слухового нерва (рецепторы). Здесь происходит преобразование звуковой энергии в энергию нервных импульсов, которые по слуховому нерву проходят в слуховой центр, находящийся в височной доле коры больших полушарий головного мозга. Но о механизме восприятия и передачи звуковых волн сейчас расскажет мой коллега астрофизиолог.

Астрофизиолог. Звуковые колебания воздуха вызывают колебания барабанной перепонки, выполняющей роль мембраны микрофона, и через слуховые косточки в усиленном виде передаются к внутреннему уху, где вызывают колебания жидкости, заполняющей канал улитки. При этом начинают колебаться волокна основной мембраны и клетки кортиева органа, аналогичные угольному порошку в микрофоне. При каждом подъёме они волосками упираются в покровную мембрану, волоски при этом сгибаются, мембранный потенциал уменьшается, и в нервных волокнах возникает возбуждение.

Звуки разной частоты воспринимаются соответственно разными клетками улитки, так что она напоминает тысячеструнную арфу. Если открыть крышку фортепиано, осторожно нажать на клавишу (так, чтобы звука не было ) и пропеть эту ноту голосом, то соответствующая струна отзовётся вследствие резонанса. Примерно так же отвечают на звук волокна улитки. Далее по слуховому нерву (как по проводам) нервные импульсы передаются в слуховой центр височной доли, как в опыте у астрофизиков - на осциллограф.

осциллограф

мозг

Головной мозг постоянно обрабатывает поступающие импульсы, в результате чего у землян создаются звуковые ощущения.

Корреспондент.

• Как вы считаете, будут ли восприниматься звуковые волны из окружающей среды гуманоидами, если повреждена какая-либо часть слухового анализатора?

• Каким образом происходит у землян передача звуковых колебаний из окружающей среды к слуховым рецепторам?

• Частота колебаний крыльев колибри равна 35 - 50 Гц. Будет ли слышен полёт колибри?

• Когда прислушиваются к отдалённому шуму, то невольно открывают рот. Почему?

• Два человека пытаются услышать шум приближающегося поезда. Один из них приложил ухо к рельсам, другой - нет. Кто из них раньше узнает о приближении поезда и почему?

Председатель. Спасибо. Продолжаем нашу работу. Рассмотрим вопрос "Экология звука". Слово предоставляется астроэкологам.

1 астроэколог. На приёмнике звука землян отрицательное влияние оказывает шум. Шум - это звук любого рода, воспринимаемый гуманоидами как неприятный, мешающий или даже вызывающий болезненные ощущения. Шумы создаются нерегулярными колебаниями, которые характерны для свиста, треска, шипения, дребезжания (запись 4).

В крупных городах свыше 60% гуманоидов жалуются на чрезмерный шум, который непосредственно действует на их звуковой приёмник - орган слуха. Под резкими постоянными ударами звуковых волн барабанная перепонка колеблется с большой амплитудой. Из-за этого она постепенно теряет свою эластичность, слух притупляется. Помимо этого через орган слуха шум действует также на центральную нервную систему и может вызвать разнообразные нарушения - физиологические (учащённое сердцебиение, повышенное давление) и психические (ослабление внимания, нервозность). Длительное воздействие шума является одним из факторов, способствующих предрасположенности к инфекционным заболеваниям. Следствием этого является сокращение жизни гуманоидов. Но земляне прекрасно понимают, что шум - во многом дело рук человеческих, поэтому они могут и должны снижать его уровень, чтобы сохранить нормальную психику.

2 астроэколог. Как правило, шум раздражает: мешает работать, отдыхать, думать. Но шум может действовать и успокаивающе. Такое влияние на человека оказывает, например, шелест листьев, рокот морского прибоя (запись 5).

Нередко шум несёт важную информацию. Авто - или мотогонщик внимательно прислушивается к звукам, которые издают мотор, шасси и другие части движущегося механизма, ведь любой шум может быть предвестником аварии. Шум играет существенную роль в акустике, медицине и других областях.

Проблема шума возникла очень давно. В давние времена стук колёс по булыжной мостовой вызывал у многих бессонницу. А может быть, проблема возникла ещё раньше, когда соседи по пещере начинали ссориться из-за того, что один из них стучал, делая каменный нож или топор?

Шумовое загрязнение окружающей среды всё время растёт. Если в 1948 году при обследовании жителей крупных городов на вопрос, беспокоит ли шум, когда вы находитесь в квартире, утвердительно ответили 23 % опрошенных, то в 1961 году - уже 50%. В последнее же десятилетие уровень шума в городах вырос ещё в 10 - 15 раз.

Шум - один из видов звука, правда, его часто называют нежелательным звуком.

Человек слышит звук, когда частота колебаний лежит в пределах 16 - 20000 Гц. Звук с частотой ниже 16 Гц называется инфразвуком, выше 20000 Гц - до 10⁹ Гц - ультразвуком, в диапазоне 10⁹ - 10¹³ Гц - гиперзвуком.

3 астроэколог. При распространении звуковой волны, состоящей из сгущения разрежения воздуха, давление на барабанную перепонку меняется. Это давление измеряют в Н/м² (т.е. в Па), а мощность (или интенсивность) звука в Вт/м².

Минимальный звук, который человек ощущает, называют порогом слышимости. У разных людей он различен. Условно за порог слышимости принято звуковое давление, равное 210^-5 Па при частоте 1000 Гц (мощность 10^-12 Вт/м²). Именно с этими величинами сравнивают измеряемый звук.

Например, мощность звука при взлёте реактивного самолёта равна 10 Вт/м², т.е. превышает пороговую в 10¹³ раз. Оперировать такими большими числами неудобно. О звуках различной громкости говорят, что один громче другого не во столько-то раз, а на столько-то единиц.

Единица уровня громкости называется децибелом (дБ).

4 астроэколог. Восприятие звука зависит не только от его давления (мощности), но и от частоты. Один и тот же звук на разных частотах воспринимается как разный по громкости. С возрастом верхняя граница восприятия звука понижается до 6000 Гц. Пожилые люди не слышат, например, писка комара, треска сверчка, которые издают звук с частотой около 20000 Гц. Некоторые люди не слышат звуков высокой частоты и в молодости.

Известный английский физик Д. Тиндаль так описывает одну из своих прогулок с товарищем: "Луга по обеим сторонам дороги кишели насекомыми, которые наполняли мой слух своим резким жужжанием, но мой друг ничего этого не слышал - музыка насекомых была вне границ его слуха".

Рассмотрим таблицу "Шум", на ней представлены различные источники шума.

Звуки в пределах от 0 до 80 дБ приятны для восприятия и отрицательных эмоций не вызывают. (Запись «Шум моря, пение птиц»).

При громкости более 80 дБ шум вредно влияет на здоровье: повышает кровяное давление, нарушается ритм сердцебиения. Продолжительное воздействие интенсивного шума ведёт к глухоте. (Запись «Рок-концерт»). Очень сильный звук (свыше 180 дБ) в состоянии даже вызвать разрыв барабанной перепонки.

С шумом необходимо бороться. Умение соблюдать тишину - показатель культуры человека и его доброго отношения к окружающим. Тишина нужна землянам так же, как солнце и свежий воздух.

Астропсихолог. Подводя итог нашей конференции, мне бы хотелось несколько слов сказать о том, что при некоторых формах глухоты, когда слуховой нерв не повреждён, звук проходит через кости. Такие глухие могут танцевать, воспринимая ритм музыки через колебания пола. Известно, что Людвиг Ван Бетховен, будучи глухим, слушал музыку с помощью трости, одним концом которой он опирался на рояль, а другой держал в зубах.

А сейчас мне бы хотелось предложить вашему вниманию произведение этого композитора, которое называется "Аппассионата". Он сочинил её, будучи уже совершенно глухим.

Вслушайтесь в звуки этой музыки. Мне кажется, что композитор хотел сказать: "Возможности человека настолько беспредельны, что даже тяжёлый недуг не помеха. Человек постоянно, изо дня в день, должен стремиться к вершинам мастерства, к совершенству".

Корреспондент. Заканчивается наш репортаж с конференции "Звук: природа, восприятие, передача". Люди живут в мире звуков. Звук - механическая волна. Человеческое ухо воспринимает звуковые волны только в диапазоне от 16 до 20000 Гц.

Человеческие органы слуха и звука сложно устроены, процессы восприятия звука до конца ещё не изучены. Но чтобы понять, сравнить, а потом сделать выводы, нужно овладеть основами знаний. Зная эти основы, ты сможешь творить и открывать новое, ведь белых пятен в науке ещё так много!..

Д. З. пов. § 34.