Проектная деятельность на уроках физики 'Волшебство звука' (9 класс)

Проектная деятельность на уроках физики.

Тип урока: Защита проекта.

Тема урока: Волшебство звука.

Задачи урока:

Образовательные:
а) Актуализировать и расширить знания по теме «Механические волны»;
в) Научить учащихся анализировать изучаемое и прочитанное.

Развивающие:
а) Развитие самостоятельности мышления;
в) Развитие навыков и умений:

наблюдать, сопоставлять, анализировать, обобщать;

формулировать вывод по итогам экспериментальной работы и

изученному материалу;

развитие навыков экспериментальной деятельности;

развитие грамотной устной речи.

Воспитательные:
а) Воспитание чувства взаимопонимания и взаимопомощи при выполнении микроисследования в малых группах;
в) Формирование мировоззренческих понятий.

Пытаются шептать клочки афиш,

Пытается кричать железо крыш,

И в трубах петь пытается вода
И так мычат бессильно провода.

Е. Евтушенко

План урока:

1.Вступление.

Здравствуйте, ребята и уважаемые гости! Сегодня мы хотим продемонстрировать Вам проектную деятельность на уроках физики на примере изучения темы «Механические волны». Для этого за две недели до урока класс был поделен на группы по 4-5 человека в каждой. Учителем была поставлена цель. Затем совместно обсудили возможные варианты исследования и сбора информации; продумали ход деятельности, распределили обязанности. В ходе работы над проектом было решено ряд задач и на сегодняшнем уроке мы подошли к подведению итогов: защите проекта.

Тема проекта была выбрана не случайно. Из эпиграфа к нашему уроку можно понять - звуковые явления окружают нас повсюду .Мне хотелось показать ребятам, что за казалось бы на первый взгляд обычными вещами скрывается целый волшебный мир звуков.

Итак, были выделены следующие группы:

1. «физики - теоретики»;

2. «биологи»;

3. «физики - практики»;

4. «музыканты».

И сейчас предоставляем слово учащимся.

2. Выступление участников группы «физики - теоретики».

Рассматриваемые вопросы:

• Механические волны;

• Виды механических волн;

• Звуковые волны;

• Параметры волн;

• Характеристики волн.

Основные характеристики колебаний и волн.

Механические волны - процесс распространения механических колебаний в среде (жидкой, твердой, газообразной).

Следует запомнить, что механические волны переносят энергию, форму, но не переносят массу.

Важнейшей характеристикой волны является скорость ее распространения. Волны любой природы не распространяются в пространстве мгновенно, их скорость конечна.
Различают два вида механических волн: поперечные и продольные.

1.Поперечные волны:

Волны называются поперечными, если частицы среды колеблются перпендикулярно (поперек) лучу волны. Они существуют в основном за счет сил упругости, возникающих при деформации сдвига, а поэтому существуют только в твердых средах.

На поверхности воды возникают поперечные волны, так как колеблется граница сред.

В поперечных волнах различают горбы и впадины.

Длина поперечной волны - расстояние между двумя ближайшими горбами или впадинами

2.Продольные волны:

Волны называются продольными, если частицы среды колеблются вдоль луча волны. Они возникают за счет деформации сжатия и напряжения, поэтому существуют во всех средах.

В продольных волнах различают зоны сгущения и зоны разряжения.

Длина продольной волны - расстояние между двумя ближайшими зонами сгущения или зонами разряжения.

Звук - распространяющиеся в упругих средах, газах, жидкостях и твердых телах механические колебания, воспринимаемые ухом.

Источник звука - различные колеблющиеся тела, например туго натянутая струна или тонкая стальная пластина, зажатая с одной стороны. Как возникают колебательные движения? Достаточно оттянуть и отпустить струну музыкального инструмента или стальную пластину, зажатую одним концом в тисках, как они будут издавать звук. Колебания струны или металлической пластинки передаются окружающему воздуху. Когда пластинка отклонится, например в правую сторону, она уплотняет (сжимает) слои воздуха, прилегающие к ней справа; при этом слой воздуха, прилегающий к пластине с левой стороны, разредится. При отклонении пластины в левую сторону она сжимает слои воздуха слева и разрежает слои воздуха, прилегающие к ней с правой стороны, и т.д. Сжатие и разрежение прилегающих к пластине слоев воздуха будет передаваться соседним слоям. Этот процесс будет периодически повторяться, постепенно ослабевая, до полного прекращения колебаний.

Частотой колебаний называют количество полных колебаний в секунду. За единицу измерения частоты принят 1 герц (Гц). 1 герц соответствует одному полному (в одну и другую сторону) колебанию, происходящему за одну секунду.

Периодом называют время (с), в течение которого происходит одно полное колебание. Чем больше частота колебаний, тем меньше их период, т.е. f=1/T. Таким образом, частота колебаний тем больше, чем меньше их период, и наоборот.

Амплитудой колебаний называют наибольшее отклонение колеблющегося тела от его первоначального (спокойного) положения. Чем больше амплитуда колебания, тем громче звук. Звуки человеческой речи представляют собой сложные звуковые колебания, состоящие из того или иного количества простых колебаний, различных по частоте и амплитуде. В каждом звуке речи имеется только ему свойственное сочетание колебаний различной частоты и амплитуды.

Громкость тона какой-либо данной высоты определяется амплитудой колебаний. Высота тона определяется частотой колебания. Колебания высокой частоты воспринимаются как звуки высокого тона, низкой частоты - как звуки низкого тона

Источники звуковых волн.

Имеется весьма обширный класс колебаний, источником которых может служить какой-либо постоянный фактор: лоток жидкости или газа, гидростатическое давление, постоянная сила натяжения, гравитации, трения, электродвижущая сила и т. п.

Многообразие источников звуковых колебаний можно разделить на искусственные и естественные. Поговорим вначале о тех, которые были созданы руками человека. Прежде всего, это различные музыкальные инструменты. Уже в глубокой древности - рога и рожки, дудки, свистульки, примитивные флейты. Позже - скрипки, в которых для возбуждения звука используется сила трения между смычком и струной; различные духовые; гармонии, в которых звук производят металлические язычки, колеблющиеся под действием постоянного потока воздуха; органы, из труб которых вырываются через узкие щели резонирующие столбы воздуха.
А знаете ли Вы о чуде "мемнонского колосса", гигантском звучащем изваянии, установленном вблизи египетского города Луксора. Высота статуи около 20 метров, масса достигает тысячи тонн. В нижней части колосса обнаружен ряд щелей и отверстий с расположенными за ними камерами сложной формы.
Акустик из ФРГ О. Бшорр в течение года вел наблюдения за звуками, издаваемыми статуей, записывал их на магнитофон и подвергал спектральному анализу. Выступление его на токийском Международном конгрессе по акустике послужило лишним доказательством того, насколько несправедливо бытующее иногда мнение об ученых, как о сухих, черствых людях, которым чуждо все человеческое. Когда наступило время доклада Бшорра о мемнонском колоссе, то в аудитории поистине яблоку негде было упасть. В соседних же аудиториях, где заседали другие секции конгресса, было пустовато.
Докладчик начал с сообщения о том, что более чем в ста греческих и латинских документах разных времен упоминается пение колосса. Один из авторов документов (Страбон) указывает, что статуя имитирует голос человека. После реставрации памятника императором Септимием Севером в 199 году н.э. эта способность была утрачена памятником.
Что же показали регулярные наблюдения? Летом статуя звучит после 5 часов утра, зимой - после 7 часов. Звук мелодичный, продолжается 1--2 часа. Несомненно, что он вызывается восходящими потоками воздуха, нагреваемого утренним солнцем. Однако установить точную физическую картину звукообразования не удалось. Было высказано более десяти различных предположений на этот счет, как то: ветровой эффект, эолова арфа, колебания резонаторов Гельмгольца, эффект Тревельяна (колебания при соприкосновении с нагретой поверхностью) и т. п. Весьма вероятно одновременное действие нескольких механизмов возникновения "пения".
Следует, таким образом, констатировать, что взятая на себя Бшорром миссия по изучению поющего колосса не увенчалась полным успехом, и это оригинальнейшее творение мастеров далекого прошлого еще ждет своих исследователей.

А разве менее разнообразны природные звуки, вспомним стрекотание кузнечиков и цикад, журчание ручья, мычание и блеяние животных, звуки, издаваемые домашними и дикими птицами.
Упомянем о природных колебаниях . Поющие пески... Еще в XIV веке великий путешественник Марко Поло упоминал о "звучащих берегах" таинственного озера Лоб-Нор в Азии. За шесть веков поющие пески были обнаружены в различных местах всех континентов. У местного населения они в большинстве случаев вызывают страх, являются предметом легенд и преданий. "Когда боги смеются, берегись!" - предостерегающе крикнул старик. Он начертил пальцем круг на песке и, пока он чертил, песок выл и визжал; затем старик опустился на колени - песок взревел и затрубил", - так описывает Джек Лондон встречу с поющими песками персонажей романа "Сердца трех", отправившихся с проводником на поиски сокровищ древних майя.
Есть поющие пески и даже целая поющая песчаная гора и у нас в стране. Неподалеку от реки Или в Казахстане поднялась почти на 300 метров гора Калкан- гигантский природный орган. При ветре и даже при спуске с нее человека гора издает мелодичные звуки. После дождя и во время штиля гора безмолвствует...
Да, много веков прошло со времени обнаружения поющих песков, а удовлетворительного объяснения этому поразительному феномену не было предложено. В последние годы за дело принялись английские акустики, а также советский ученый В. И. Арабаджи. Этого специалиста, по-видимому, всегда влекли к себе необычные акустические явления в природе. Раскрывая очередной номер Акустического журнала АН СССР и видя в оглавлении фамилию Арабаджи, можно заранее сказать, что речь пойдет об анализе шума грома, тайфунов или водопадов, звуков в пещерах и подземных галереях. Дошла очередь и до поющих песков. Арабаджи предположил, что излучающий звук верхний слой песка движется при каком-либо постоянном возмущении по нижнему, более твердому слою, имеющему волнистый профиль поверхности. Вследствие сил трения при взаимном перемещении слоев и возбуждается звук. Примерно так же объясняют генерацию звука движущимися песками некоторые иностранные ученые.

А голос человека? Разве это не важнейший (по крайней мере, для него самого) колебательный процесс? Но об образовании человеческого голоса Вам расскажет наши одноклассники из группы «биологи».

3. Выступление участников группы «биологи».

Рассматриваемые вопросы:

• Строение голосовых связок человека;

• Строение уха.

Строение голосовых связок человека.

Гортань является важнейшей составной частью голосового аппарата, т.к. в ней расположены голосовые складки. Рассмотрим подробности ее строения.
Скелет гортани образован несколькими подвижно соединенными между собой хрящами. Самый крупный из хрящей гортани - щитовидный, в котором различают две четырехугольные пластинки, соединяющиеся между собой (упомянутый выступ гортани - «адамово яблоко») под прямым (или почти прямым) углом у мужчин и тупым углом (около 120°) у женщин. От задних краев отходят две пары рогов - верхние и нижние.

Наиболее важны в функциональном отношении черпаловидные хрящи, от основания которых вперед отходит голосовой отросток, состоящий из эластического хряща; назад и кнаружи - мышечный отросток. К последнему прикрепляются мышцы, двигающие черпаловидный хрящ в перстнечерпаловидном суставе. При этом изменяется положение голосового отростка, к которому прикрепляются голосовые связки.

Хрящи, связки и суставы гортани: А (вид сбоку); Б (вид сзади); В (вид сбоку в разрезе).
1 - щитовидный хрящ; 2 - верхний рог щитовидного хряща; 3 - подъязычная кость;
4 - щитоподъязычная связка; 5 - выступ гортани («адамово яблоко»);
6 - нижний рог щитовидного хряща; 7 - надгортанник и надгортанный хрящ;
8 - перстнещитовидный сустав; 9 - вырезка щитовидного хряща;
10 - щитонадгортанная связка ; 11 - перстневидный хрящ;
12 - перстнетрахеальная связка; 13 - первый хрящ трахеи;
14 - черпаловидный хрящ; 15 - голосовой отросток;
16 - перстнечерпаловидный сустав

Сверху гортань покрыта надгортанником, состоящим из эластического хряща. Надгортанник расположен впереди входа в гортань и прикреплен к щитовидному хрящу с помощью щитонадгортанной связки. В основании гортани лежит перстневидный хрящ, его дуга обращена вперед, а пластинка - назад. Перстнетрахеальная связка соединяет нижний край хряща с первым хрящом трахеи.
Хрящи соединяются между собой посредством связок и суставов. Важнейший из них - перстнечерпаловидный сустав расположен между основанием черпаловидного хряща и соответствующей поверхностью перстневидного. Черпаловидный хрящ в этом суставе вращается вокруг вертикальной оси, а также немного в стороны. Перстнещитовидный сустав образован суставными поверхностями нижних рогов щитовидного хряща и соответствующими площадками перстневидного. Правый и левый суставы объединяются в один комбинированный, в котором щитовидный хрящ наклоняется вперед, удаляясь своей вырезкой от пластинки перстневидного и черпаловидных хрящей, или выпрямляется, приближаясь к последним.

Органом, в котором возникает звук, является гортань. Полость гортани кроме голосовых связок выстлана слизистой оболочкой, образованной реснитчатым эпителием с большим количеством бокаловидных клеток, а голосовые связки покрыты многослойным плоским неороговевающим эпителием. Передняя и задняя части задней поверхности надгортанника также покрыты многослойным плоским неороговевающим эпителием, большая часть задней - реснитчатым эпителием.
Полость гортани подразделяется на три отдела:

- верхний - преддверие гортани;
- средний суженный - собственно голосовой аппарат;
- нижний - подголосовая полость.

Полость гортани: А (вход в гортань); Б (вид сбоку в разрезе).
1 - голосовая щель; 2 - голосовая складка; 3 - подголосовая полость;
4 - желудочек гортани; 5 - четырехугольная мембрана; 6 - голосовая связка

Наиболее сложно устроен средний отдел, где на боковых стенках имеются две пары складок, между которыми образуются углубления - желудочки гортани. Верхние складки называются преддверными, а нижние - голосовыми. В толще последних лежат голосовые связки, образованные эластическими волокнами, и мышцы. Голосовые связки натянуты между щитовидным и черпаловидными хрящами.
Голосовые связки могут смыкаться и размыкаться, натягиваться. Образование звука происходит при сомкнутых голосовых связках. Строение голосовых связок дает им возможность колебаться как целиком, так и отдельными участками, от чего зависит характер звучания голоса. Просвет между правой и левой голосовыми складками называется голосовой щелью.
В результате изменения положения хрящей под действием мышц гортани могут меняться ширина голосовой щели и натяжение голосовых связок. Расширяет голосовую щель одна мышца - задняя перстнечерпаловидная, а сужают ее несколько мышц: боковая перстнечерпаловидная, щиточерпаловидная и др. При молчании голосовая щель широко раскрыта, при разговоре или пении - сужается. Размеры голосовых связок определяют тип голоса. У людей с низкими голосами складки более длинные и толстые, а с высокими - короткие и тонкие.

К голосовому аппарату, помимо органов дыхания и места возникновения звуков - гортани, относятся артикуляционный аппарат и резонаторы.
Артикуляционный аппарат служит для образования звуков членораздельной речи. Артикуляция (от лат. articulo - расчленяю) - это работа органов речи. К активным органам артикуляционного аппарата относятся:

- голосовые складки, которые, вибрируя на выдохе, создают звук;
- язык, состоящий из поперечно-полосатых мышечных волокон, которые имеют различное направление; язык способен к самым разнообразным изменениям своей формы и положения; он прикрепляется своим корнем к подъязычной кости, непосредственно связанной с гортанью;
- губы;
- мягкое нёбо с маленьким язычком - подвижное мышечное образование, расслабленное при дыхании, благодаря чему имеется свободный проход из глотки в носоглотку и далее в нос; во время речи и пения мягкое нёбо поднимается и перекрывает ход в носоглотку;
- глотка - полость, расположенная за зевом, сообщающаяся при дыхании с носовой полостью и гортанью; во время речи и пения отделяется от носовой полости поднятым мягким нёбом; ее объем может сильно меняться благодаря перемещению языка и опусканию или поднятию гортани; при пении глотка должна быть свободно и широко открыта; сложное отверстие ротоглотки называют еще вторым (певческим) ртом, подчеркивая этим факт формирования при пении звука именно в этом месте.

К пассивным органам артикуляционного аппарата относятся:

- зубы;
- твердое нёбо;
- верхняя челюсть.

Резонаторы - это полости, резонирующие на возникающий в голосовой щели звук и придающие ему силу и окраску (тембр). Резонанс (от лат. resono - звучу в ответ, откликаюсь) - явление усиления собственных колебаний резонаторов под воздействием внешних колебаний той же частоты. Сверху и снизу к гортани непосредственно примыкают трубообразные полости, составляющие с ней единое целое. Различают головной и грудной резонаторы.
Нижняя подгортанная труба переходит в трахею и бронхи. Верхняя надгортанная труба - переходит в полость ротоглотки и далее в ротовую и носовую полости. Головное резонирование ощущается как вибрация в голове (зубы, темя). Грудное резонирование ощущается как вибрация в груди (трахея, бронхи). Таким образом, гортань вместе с надгортанной и подгортанной трубами представляет собой единую рупорную систему.

Положение голосовых связок при молчании (вверху), при разговоре (в середине), при шепоте (внизу)

Процесс образования звука голоса называется голосообразованием, или фонацией. Звукообразование является результатом сложного и тонкого взаимодействия всех частей гортани, которое осуществляется через широкую сеть нервных связей с головным мозгом.

У млекопитающих и многих птиц имеются голосовые связки. У человекообразных обезьян они сходны с человеческими. Но ни одно животное не способно к сознательной членораздельной речи. Речь осуществляется вследствие существования в мозге специальных центров речи. Ответьте на вопрос: где в коре полушарий большого мозга находятся центры речи? (Центр двигательных механизмов речи локализован в лобной доле коры, центры памяти, относящиеся к речи - в теменной, а центры контроля речи - в височной доле.) Центры речи согласовывают работу мышц всего речевого аппарата и связаны с процессами сознания и мышления.

Согласно общепризнанной миоэластической теории, звуковые волны возникают в голосовой щели в результате сопротивления сомкнутых голосовых складок давлению выдыхаемого воздуха, что вызывает их колебание. Пропустив порцию воздуха, складки снова смыкаются в силу эластичности, затем цикл повторяется. В результате возникают периодические порывы (толчки) воздуха, т.е. звуковые колебания определенной частоты. Частота колебаний воспринимается как высота звука. В акустике частота звука измеряется в герцах (Гц).

Высота звука определяется формой и размерами гортани, связок и резонаторных полостей. По звуковысотному признаку принято делить все голоса на несколько основных групп. Сведения о типах певческих голосов, длине и ширине голосовых складок у людей с различными типами голосов приведены в таблице.

Кроме высоты, образующиеся в голосовом аппарате звуки характеризуются силой и громкостью звучания. Сила звука определяется выходящей наружу звуковой энергией и зависит от природных возможностей голосового аппарата, величины подсвязочного давления. Громкость зависит от размаха колебательных движений голосовых связок, частоты звука, расстояния от источника звука до слухового аппарата, чувствительности последнего. Сила звука и громкость звучания - понятия не тождественные. При одной и той же силе звуки различной частоты воспринимаются как неодинаковые по громкости. Наш слуховой аппарат наиболее чувствителен к частотам от 1 тыс. до 5 тыс. Гц.

Помимо высоты и силы голоса разных людей различаются звуковой окраской, или тембром. Тембр голоса является основным признаком, определяющим качество его звучания. Он воспринимается нашим слухом подобно тому, как воспринимается зрением красочность живописи. Не случайно, говоря о голосах, мы употребляем эпитеты: серебристый, бархатный, светлый, мягкий, тусклый, темный, резкий, теплый, холодный и т.п. Чем же определяются качества тембра?

Любой звук состоит из основного тона и целого ряда звуков более высоких частот, которые называются обертонами. Среди них имеются резко выраженные обертоны с большой амплитудой, которые называются формантами. Именно обертоны и форманты создают характерное звучание каждого голоса и каждого звука (это относится в основном к гласным звукам).

Таким образом, главным звукообразующим органом у человека является гортань. В ней находятся голосовые связки, которые под действием струи выдыхаемого воздуха совершают колебания определенной частоты, что и вызывает образование звуков. В целом же звукообразование - результат сложного и тонкого взаимодействия всех составных частей голосового аппарата. Голос каждого человека индивидуален., что определяется его высотой, силой и тембром.

Строение уха.

Ухо - сложный вестибулярно-слуховой орган, который выполняет две функции: воспринимает звуковые импульсы и отвечает за положение тела в пространстве и способность удерживать равновесие. Это парный орган, который размещается в височных костях черепа, ограничиваясь снаружи ушными раковинами.

Ухо человека воспринимает звуковые волны длиной примерно от 20 м до 1,6 см, что соответствует 16 - 20 000 Гц (колебаний в секунду).

В процессе эволюционного развития ухо возникло у первичноводных предков позвоночных из особых кожных органов чувств (Боковые органы).

Анатомия уха.

Орган слуха и равновесия представлен тремя отделами: наружным, средним и внутренним ухом, каждый из которых выполняет свои конкретные функции.

Наружное ухо.

Наружное ухо состоит из ушной раковины и наружного слухового прохода. Ушная раковина - сложной формы упругий хрящ, покрытый кожей, его нижняя часть, называемая мочкой,- кожная складка, которая состоит из кожи и жировой ткани.

Ушная раковина у живых организмов работает как приемник звуковых волн, которые затем передаются во внутреннюю часть слухового аппарата. Значение ушной раковины у человека намного меньше, чем у животных, поэтому у человека она практически неподвижна. Но вот многие звери, поводя ушами, способны гораздо точнее, чем человек, определить нахождение источника звука.

Складки человеческой ушной раковины вносят в поступающий в слуховой проход звук небольшие частотные искажения, зависящие от горизонтальной и вертикальной локализации звука. Таким образом мозг получает дополнительную информацию для уточнения местоположения источника звука. Этот эффект иногда используется в акустике, в том числе для создания ощущения объёмного звука при использовании наушников или слуховых аппаратов.

Функция ушной раковины - улавливать звуки; ее продолжением является хрящ наружного слухового прохода, длина которого в среднем составляет 25-30 мм. Хрящевая часть слухового прохода переходит в костную, а весь наружный слуховой проход выстлан кожей, содержащей сальные, а также серные железы, представляющие собой видоизмененные потовые. Этот проход заканчивается слепо: от среднего уха он отделен барабанной перепонкой. Уловленные ушной раковиной звуковые волны ударяются в барабанную перепонку и вызывают ее колебания.

В свою очередь, колебания барабанной перепонки передаются в среднее ухо.

Среднее ухо

Основной частью среднего уха является барабанная полость - небольшое пространство объемом около 1смі, находящееся в височной кости. Здесь находятся три слуховые косточки: молоточек, наковальня и стремечко - они передают звуковые колебания из наружного уха во внутреннее, одновременно усиливая их.

Слуховые косточки - как самые маленькие фрагменты скелета человека, представляют цепочку, передающую колебания. Рукоятка молоточка тесно срослась с барабанной перепонкой, головка молоточка соединена с наковальней, а та, в свою очередь, своим длинным отростком - со стремечком. Основание стремечка закрывает окно преддверия, соединяясь таким образом с внутренним ухом.

Полость среднего уха связана с носоглоткой посредством евстахиевой трубы, через которую выравнивается среднее давление воздуха внутри и снаружи от барабанной перепонки. При изменении внешнего давления иногда «закладывает» уши, что обычно решается тем, что рефлекторно вызывается зевота. Опыт показывает, что ещё более эффективно заложенность ушей решается глотательными движениями или если в этот момент дуть в зажатый нос.

Внутреннее ухо

Из трех отделов органа слуха и равновесия наиболее сложным является внутреннее ухо, которое из-за своей замысловатой формы называется лабиринтом. Костный лабиринт состоит из преддверия, улитки и полукружных каналов, но непосредственное отношение к слуху имеет только улитка, заполненная лимфатическими жидкостями. Внутри улитки находится перепончатый канал, также заполненный жидкостью, на нижней стенке которого расположен рецепторный аппарат слухового анализатора, покрытый волосковыми клетками. Волосковые клетки улавливают колебания жидкости, заполняющей канал. Каждая волосковая клетка настроена на определенную звуковую частоту, причем клетки, настроенные на низкие частоты, располагаются в верхней части улитки, а высокие частоты улавливаются клетками нижней части улитки. Когда волосковые клетки от возраста или по другим причинам гибнут, человек теряет способность воспринимать звуки соответствующих частот.

Отличие мужского и женского голоса.

Каждый из нас, стремясь получить более полную информацию о собеседнике, идентифицирует его, в том числе, и по звукам голоса.Так, на слух мы обычно без труда определяем пол, примерный возраст и даже комплекцию человека. Проще всего по голосу определить половую принадлежность собеседника. Этому есть существенные причины.
Во-первых, это физиологические различия в строении речевого аппарата мужчин и женщин.

Органы речи, согласно их функциям, можно условно разделить на две группы:

1. Части речевого аппарата, отвечающие за синтез звука.
2. Органы, позволяющие произвольно менять частотный диапазон произносимых звуков.
К первой группе относятся органы дыхания и голосовые связки, мало отличающиеся по своему физиологическому строению для мужчин и для женщин. Вторая группа, ответственная за речь, представлена органами ротовой и носовой полости. Вот здесь различия оказываются более существенными.
Установлено, что мужчины гораздо лучше женщин управляют своим голосом: помимо мощности звукового сигнала, мужской голос отличается и более широким спектром воспроизводимых звуков, и выраженной способностью к имитации. Простой пример: женщине довольно сложно, а подчас - невозможно, сымитировать мужской голос; зато для многих мужчин пародирование как женских, так и мужских голосов не представляет сложности.

Скорее всего, в основе этих талантов лежала насущная необходимость в подражании голосам животных и птиц во время первобытной охоты.
Зато женский голос намного чище и нежнее, он не теряется среди посторонних шумов, что делает речь женщины более легкой для восприятия. Не зря озвучивание важной информации в общественных местах традиционно доверяют именно женщинам.

Вторая причина различия мужских и женских голосов - особенность восприятия.
Оказывается, наш мозг по-разному интерпретирует мужские и женские голоса. Так, звуки женского голоса активизируют «аудио секцию» коры головного мозга, которая способствует лучшему распознаванию звуков; в то время как мужской голос «отзывается» в задней части мозга, отвечающей за сравнение внешнего объекта с самим собой.
И все же, мужской и женский голоса созданы для того, чтобы мы могли слышать и понимать друг друга, невзирая на все различия.

3. Выступление участников группы «физики-практики».

Рассматриваемые вопросы:

• Эхолокация;

• Дефектоскопия;

• Медицина.

Экспериментальные задания:

• Условия возникновения эха?

• Почему шумит морская раковина?

• Где находится кузнечик?

Применение ультразвука.

Перечислим некоторые успешные современные технологические применения ультразвука.
Ультразвуковая сварка под давлением. Стык шероховатых поверхностей уже через 0,1 секунды после воздействия ультразвука приобретает гладкую структуру.

Облучение ультразвуком расплавленных металлов и сплавов позволяет получить более однородную мелкокристаллическую структуру.
Облучение ультразвуком расплавленных металлов содействует удалению из них газов, что в конечном итоге также улучшает качество металла, обеспечивает отсутствие в нем усадочных раковин.
Ультразвук используется также при закалке и отпуске сплавов, сварке и пайке, значительны перспективы применения ультразвука при сверлении и долбежке твердых материалов, очистке металлических изделий, для предотвращения образования накипи на стенках котлов и иных сосудов, получения однородных горючих смесей, при газоочистке и сушке различных материалов. В США освоен дешевый метод нарезания резьбы произвольного профиля на металлических изделиях с помощью ультразвука.
О масштабах технологического применения ультразвука говорит то обстоятельство, что в США ультразвуковое оборудование изготовляют более 50 фирм. Мощность ультразвуковых установок достигает 10 киловатт и более разнообразное ультразвуковое оборудование для различных технологических процессов изготовляется и в нашей стране.
Польские инженеры разработали метод осаждения густого тумана с помощью мощной направленной ультразвуковой сирены. Будучи установлена на носу судна, такая сирена способна улучшить видимость в направлении движения, на несколько сот метров вперед.
Другая важная сфера применения ультразвука - автоматический неразрушающий контроль. На судах широко применяются ультразвуковые уровнемеры и расходомеры различных жидкостей в трубах и сосудах. На ежегодном симпозиуме по ультразвуку, проходившем в 1974 году в г. Милуоки (США), американские специалисты сообщили о разработке высокотемпературных ультразвуковых преобразователей для контроля узлов жидкометаллических атомных реакторов. Эти преобразователи могут применяться как в стационарных, так и в судовых ядерных энергетических установках.
Ультразвуковая дефектоскопия металлических листов и различных изделий являет собой пример традиционного и достаточно давнего промышленного применения ультразвука. Еще в 1942 и 1953 годах С. Я Соколову и группе его сотрудников были присуждены Государственные премии СССР за разработку и внедрение ультразвуковых дефектоскопов. С тех пор методы и аппаратура ультразвуковой дефектоскопии значительно усовершенствовались. Современные дефектоскопы позволяют выполнять контроль однородных материалов на глубину от 0,5 миллиметра до 5 метров, при этом в металле обнаруживаются внутренние раковины, трещины и расслоения размером в доли миллиметра. Для выявления столь малых дефектов используется ультразвук с частотой до нескольких мегагерц.
Весьма интересные и глубокие теоретические исследования в области ультразвуковой дефектоскопии были выполнены Л. Г. Меркуловым.
Существует несколько методов производственной ультразвуковой дефектоскопии. В наиболее простом (и первом по времени возникновения) теневом методе, или методе сквозного, прозвучивания, излучатель и приемник ультразвука размещаются один против другого по разным сторонам изделия. Наличие дефекта на пути ультразвуковых волн проявляется прежде всего в ослаблении принимаемого сигнала. Синхронное движение вдоль поверхности изделия излучателя и приемника позволяет обследовать всю площадь испытуемого изделия.
Более совершенный импульсный эхо-метод в принципе мало отличается от метода морского эхолотирования. Излучатель на поверхности изделия периодически посылает ультразвуковые импульсы и принимает сигналы, отраженные от дефектов или неоднородностей внутри изделия. Время между посылкой и приемом импульсов позволяет по известной скорости ультразвука определять глубину залегания дефекта.
Существуют и некоторые другие, более сложные методы выявления неоднородностей в изделиях, применяемые прежде всего при исследовательских работах.
В настоящее время в разработано значительное количество совершенных ультразвуковых дефектоскопов. Броневые плиты, судовые валы и другие изделия подвергаются весьма тщательному ультразвуковому контролю.
Нельзя не упомянуть о применении ультразвука в медицине. Оставляя в стороне вопросы ультразвуковой терапии, мы не можем не остановиться на ультразвуковых методах диагностики, связанных, по существу, все с той же "ультразвуковой дефектоскопией", "неразрушающим контролем", но уже не металлов и изделий, а самого человека (именно потому мы и взяли эти термины в кавычки). На основе новых систем электронно-акустических преобразователей созданы весьма совершенные визуализаторы внутренних органов человека. Так как разные ткани обладают различными акустическими свойствами, то по картине отраженных или прошедших звуковых волн можно судить о состоянии исследуемой части тела. Отчетливо фиксируются нарушения положения и формы внутренних органов, наличие опухолевых процессов и иные отклонения от нормы.
Начиная с 1974 года проводятся ежегодные конгрессы по ультразвуковой медицине. Поражает изобретательность, с которой медики при помощи инженеров находят все новые и новые применения ультразвуку. Здесь и определение содержания липоидов в тканях с помощью оценки ультразвукового рассеяния от них, и применение фокусированного ультразвука для раздражения нервных структур и для измерения скорости потока крови, и даже непрерывное обеспечение контроля за продвижением плода при родах .
Обнаружены интересные физические зависимости. Установлено, например, что поглощение ультразвука в легком гораздо больше, чем в других мягких тканях, а поглощение ультразвука в костях неожиданно слабо зависит от его частоты. Разработан метод математического моделирования тканей с помощью ультразвуковых сигналов. Согласно этому методу измеряется величина ослабления звукового сигнала, прошедшего через ткань, а также изменение фазы сигнала в зависимости от частоты ультразвука. Выполняя Фурье-преобразования с измеренными сигналами, определяют частотный отклик ткани и с помощью ЭВМ вычерчивают электронный аналог модели ткани. Тщательный анализ полученной документализированной модели позволяет обнаружить участки ткани даже с незначительной патологией, которая могла ускользнуть от внимания врача-исследователя при простом "просвечивании" ткани с помощью того же ультразвука.
Венцом ультразвуковой медицинской визуализации можно считать приведенную в книге Г. Чедда картину расположения пяти близнецов в утробе матери. Едва ли какой-нибудь врач решился бы применить для получения подобного изображения рентгеновские лучи. Ультразвуковое же облучение (в определенных дозах) абсолютно безвредно.
Применение комплексной диагностической системы, состоящей из ультразвукового визуализатора, кардиографа и автоматического фоноскопа, анализирующего звуки сердечных сокращений, позволяет в наилучшей степени установить вид того или иного сердечного заболевания.
Характерная для современной электроники миниатюризация и микроминиатюризация ее элементов дает возможность получать сравнительно небольшие по размерам и даже переносные ультразвуковые системы медицинской диагностики, что позволяет применять их не только в специализированных клиниках и стационарах, но даже, например, на судах.
Автор обещал читателю не касаться ультразвуковой терапии, но невозможно не упомянуть о некоторых свежих и смелых идеях, выдвинутых в последнее время отечественными и иностранными учеными. Например, установлено, что ультразвук может использоваться как средство усиления действия гамма-облучения на злокачественные опухоли. Обнаружено также, что при ультразвуковом облучении повышается чувствительность живой клетки к воздействию химических веществ. Это открывает пути к созданию новых, более безвредных вакцин, ибо при их изготовлении можно будет использовать химические реактивы значительно меньшей концентрации. Уже появился новый метод лечения - фонофорез, когда на кожный покров или слизистую оболочку наносится жидкое лекарство или мазь и затем эта поверхность обрабатывается ультразвуком.
Победное шествие ультразвука в промышленности, химии, медицине и других областях человеческой деятельности продолжается.

4. Выступление участников группы «музыканты».

Рассматриваемые вопросы:

• Тембр.

Экспериментальные задания:

• Изготовить музыкальный инструмент и продемонстрировать его работу.

Тембр.

Негармоническое периодическое воздействие с периодом Т равносильно одновременному действию гармонических сил с различными частотами, а именно с частотами, кратными наиболее низкой частоте n=1/T.

Это заключение является частным случаем общей математической теоремы, которую доказал в 1822 г. Жан Батист Фурье. Теорема Фурье гласит: всякое периодическое колебание периода Т может быть представлено в виде суммы гармонических колебаний с периодами, равными Т, T/2, T/3, T/4 и т.д., т.е. с частотами n=(1/T), 2n, 3n, 4n и т.д. Наиболее низкая частота n называется основной частотой. Колебание с основной частотой n называется первой гармоникой или основным тоном (тоном), а колебания с частотами 2n, 3n, 4n и т.д. называются высшими гармониками или обертонами (первым - 2n, вторым - 3n и т.д.).

Рис. 1 Осциллограммы звуков рояля и кларнета.

Каждый звук, издаваемый различными музыкальными инструментами, голосами различных людей и т.п., имеет свои характерные особенности - своеобразную окраску или оттенок. Эти особенности звука называют тембром. На рисунке 1 показаны осциллограммы звуковых колебаний, создаваемых роялем и кларнетом для одной и той же ноты. Осциллограммы показывают, что период у обоих колебаний одинаков, но они сильно отличаются друг от друга по своей форме и, следовательно, различаются своим гармоническим составом. Оба звука состоят из одних и тех же тонов, но в каждом из них эти тоны - основной и его обертоны - представлены с разными амплитудами и фазами.

Рис. 2.Спектры звуков рояля и кларнета.

Для нашего уха существенны только частоты и амплитуды тонов, входящих в состав звука, т.е. тембр звука определяется его гармоническим спектром. Сдвиги отдельных тонов по времени никак не воспринимаются на слух, хотя и могут очень сильно менять форму результирующего колебания.

На рисунке 1 изображены спектры тех звуков, осциллограммы которых показаны на рисунке 2. Так как высоты звуков одинаковы, то и частоты тонов - основного и обертонов - одни и те же. Однако амплитуды отдельных гармоник в каждом спектре сильно различаются.

5.Рублика «Удивительное рядом».

1.Оценка высоты звука производится в герцах (Гц) по имени немецкого физика Генриха Герца. Эта величина означает число колебаний в 1 секунду. Диапазон воспринимаемых человеческим ухом частот находится в пределах от 15...16 до 20 000...22 000 герц. Звуки с частотой выше 20 000...22 000 герц относят к ультразвукам. Воздействие этих частот на акустический анализатор не воспринимается как звуковое ощущение, хотя и не остается для него бесследным.
Различные части звукового диапазона воспринимаются ухом неравномерно. Лучше всего слышны тоны средних частот и особенно в зоне 800...2000 герц, хуже - крайние части диапазона: ниже 50 и выше 10 000 герц.

2. Основными частотами, при помощи которых люди общаются друг с другом, используя речь, являются 500...4000 герц. Частотный спектр «голосов» многих представителей животного мира располагается в диапазоне слуха человека Так, например, слоны «разговаривают» в зоне 95...380 герц, земноводные - 1000... 3000, цикады - 3000...8000, жуки - 5000...8000, саранча - 3000...15 000 герц.

3.Кстати, еще древние знали о целебных свойствах звуков. До наших дней дошли монотонные, тихие напевы колыбельных песен, которыми матери убаюкивали своих детей. Археологические раскопки сообщили нам о существовании в древности многочисленных лечебниц для нервных больных, в которых единственным методом лечения была постоянно журчащая вода протекающих ручейков.

4. В то же время диапазон звуков, воспринимаемых животными, намного шире диапазона человека. Опытом доказано, что кошки воспринимают звуки до 40 000 герц, а собаки даже выше этой частоты. Летучие мыши при полете пользуются своеобразными звуковыми радарами с частотой 50 000...90 000 герц для прощупывания объектов. Аналогичные устройства имеют дельфины.
5.Ультразвук оказывает значительное физиологическое воздействие на живые организмы. Например, воздействие ультразвуком на семена некоторых растений стимулирует их развитие и увеличивает урожайность. С другой стороны, некоторые организмы (инфузории, головастики) погибают под действием ультразвукового излучения.
6.Польские инженеры разработали метод осаждения густого тумана с помощью мощной направленной ультразвуковой сирены. Будучи установлена на носу судна, такая сирена способна улучшить видимость в направлении движения, на несколько сот метров вперед.
7.Жители морских побережий давно заметили, что многие морские птицы и животные заблаговременно узнают о приближении шторма. Дельфины заплывают за скалы, пингвины ложатся на снег и вытягивают свои клювы в направлении, в котором должна прийти метель, медузы задолго до приближения шторма спешат укрыться на большой глубине. Причина этих и подобных явлений кроется в том, что некоторые животные способны улавливать недоступные уху человека инфразвуковые колебания. Инфразвук - звук частотой ниже 16 Гц. В природе инфразвук возникает из-за вихревого движения воздуха в атмосфере или в результате медленных колебаний различных тел. Из-за малого поглощения и рассеяния инфразвук может распространяться на огромные расстояния. Известно, что звуки извержений вулканов, атомных взрывов могут многократно обходить вокруг земного шара, сейсмические волны могут пересекать всю толщу Земли. Всякий очень громкий звук несет с собой, как правило, и инфразвуковую составляющую. При этом инфразвук с высоким уровнем интенсивности оказывает вредное воздействие на человеческий организм. При воздействии инфразвука на частотах 4-8 Гц человек ощущает перемещение внутренних органов, на частотах 12 Гц - приступ морской болезни.

8.Помимо проведения звука по воздуху существует костное звукопроведение : звуковая волна идет через кости черепа , затем передается непосредственно на лабиринт, минуя систему среднего уха, и на его звуковоспринимающие рецепторы. Но дело в том, что мы практически не пользуемся костным звукопроведением. Можно привести лишь отдельные примеры применения звукопроведения по кости. Так, Бетховен, когда стал терять слух (на начальных этапах его болезни преимущественно страдала система воздушного звукопроведения), брал в зубы палочку, плотно прижимал ее к деке рояля и только так слышал музыку. При этом звуковые колебания передавались на верхнюю челюсть, скуловую и височную кость и на лабиринт. Теперь понятно, почему, когда сосед грызет сухарик, ты его почти не слышишь. Зато, когда делаешь это сам, в голове будто трактор едет !

9.Обнаружили, что когда растению становится трудно добывать воду из пересохшей почвы, стебель растения начинает издавать ультразвуковые шумы. Присоединив к стеблям
специальные микрофоны, можно уловить эти шумы и включать поливальные установки
только тогда, когда сами растения этого требуют

10. Звук храпа может достигать 69 децибелл, что сравнимо со звуком отбойного молотка.
11. Звук издаваемый синим китом громче, чем звук выстрела рядом стоящего тяжелого орудия, или громче, чем звук стартующей ракеты.

12. Энергия, которую обычно переносят звуковые волны, очень мала. Если бы стакан с водой полностью поглощал всю падающую на него звуковую энергию, соответствующую громкости достаточно громкой речи, и был бы полностью теплоизолирован от окружающей среды, то для того, чтобы нагреть воду от комнатной температуры до кипения потребовалось бы примерно 30 тысяч лет!

13. Благодаря стараниям японского ученого-акустика теперь можно услышать голос Моны Лизы, изображенной на картине Леонардо да Винчи. Ученый измерил лицо и руки женщины, изображенной на знаменитейшем портрете и создал компьютерную модель ее черепа. С помощью компьютерной программы Судзуки сумел воссоздать голос Моны Лизы. По словам акустика, эта методика уже не раз позволяла ему с 90-процентной точностью восстанавливать голоса известных людей. Как оказалось, Джоконда разговаривала относительно низким голосом. Теперь, посетив сайт ttp://promotion.msn.co.jp/davinci/voice.htm и нажав на кнопку под портретом, можно услышать, как Джоконда говорит: "Меня зовут Мона Лиза. Моя настоящая личность покрыта тайной". О том, кто же изображен на знаменитом портрете, специалисты спорят до сих пор. Команда ученых во главе с Мицуми Сузуки также попробовала восстановить голос самого художника. Но, к сожалению, попытка окончилась не совсем успешно, поскольку работы велись на основе автопортрета Леонардо да Винчи, форму лица которого скрывает борода.

14.Американские военные разрабатывают специальное устройство, которое способно останавливать кровотечение (включая внутреннее). Внутренние кровотечения, как следствия ранения, являются основной причиной смерти солдат на поле боя. Чтобы выиграть время для подхода медиков предусматривается использовать специальный бандаж со встроенным ультразвуковым прижигателем. Устройство способно так сфокусировать ультразвуковые волны, чтобы запечь сосуды и остановить кровотечение даже глубоко внутри тканей тела.

6.Оценка проектной деятельности.

Для объективного оценивания проделанной работы на урок - презентацию приглашаю экспертов (представители ГМО учителей физики, администрации школы, учащиеся старших классов). В начале урока я им раздаю бланки оценивания с указанием критериев. Наряду с оценкой эксперта в бланк заносятся оценка учителя и самооценка учащихся.

Для самооценки учащихся используем такую таблицу критериев:

Оцените по пятибалльной шкале:
«5» - высший балл;
«4» - достаточно высокий;
«3» - средний;
«2» - ниже среднего;
«1» - в низкой степени.

7.Заключение.

Ребята! Сегодня мы с вами смогли убедиться, что мир звуков очень разнообразен. Мы рассмотрели лишь небольшую часть вопросов. Поэтому необходимо продолжить наш проект для изучения таких вопросов как :

«Звуки в мире животных»;

«Ультразвук в медицине»;

«Предсказание землетрясений» и т.д.