Звуковые колебания и волны. Источники звука

Источники звука.

Звуковые колебания

Конспект урока.

1.Организационный момент

Здравствуйте, ребята! Наш урок имеет широкое практическое применение в повседневной практике. Поэтому ваши ответы будут зависеть от наблюдательности в жизни и от умения анализировать свои наблюдения.

2. Повторение опорных знаний.

На экране проектора высвечиваются слайды №1, 2, 3, 4, 5 (приложение 1).

Ребята, перед вами кроссворд, разгадав который вы узнаете ключевое слово урока.

1-й фрагмент: назовите физическое явление

2-й фрагмент: назовите физический процесс

3-й фрагмент: назовите физическую величину

4-й фрагмент: назовите физический прибор

Р	З	Н
В
			У
			К

Обратите внимание на выделенное слово. Это слово «ЗВУК», оно является ключевым словом урока. Наш урок посвящён звуку и звуковым колебаниям. Итак, тема урока «Источники звука. Звуковые колебания». На уроке вы узнаете, что является источником звука, что такое звуковые колебания их возникновение и некоторые практические применения в вашей жизни.

3. Объяснение нового материала.

Проведём опыт. Цель опыта: выяснить причины возникновения звука.

Опыт с металлической линейкой (приложение 2).

Что вы наблюдали? Какой можно сделать вывод?

Вывод: колеблющееся тело создаёт звук.

Проведём следующий опыт. Цель опыта: выяснить, всегда ли звук создаётся колеблющимся телом.

Прибор, который вы видите перед собой, называется камертон.

Опыт с камертоном и теннисным шариком, повешенным на нити (приложение 3).

Вы слышите звук, который издаёт камертон, но колебаний камертона не заметно. Чтобы убедиться в том, что камертон колеблется, осторожно пододвинем его к тенистому шарики подвешенному на нити и увидим, что колебания камертона передались шарику, который пришёл в периодическое движение.

Вывод: звук порождается любым колеблющимся телом.

Мы живём в океане звуков. Звук создаётся источниками звука. Существуют как искусственные, так и естественные источники звука. К естественным источникам звука относятся голосовые связки (приложение 1 – слайд №6).Воздух, которым мы дышим, выходит из лёгких через дыхательные пути в гортань. В гортани находятся голосовые связки. Под давлением выдыхаемого воздуха они начинают колебаться. Роль резонатора играют полости рта и носа, а также грудь. Для членораздельной речи кроме голосовых связок необходимы также язык, губы, щёки, мягкое нёбо и надгортанник.

К естественным источникам звука относятся также жужжание комара, мухи, пчелы (колеблются крылья ).

Вопрос: за счёт чего создаётся звук.

(Воздух в шарике находится под давлением в сжатом состоянии. Затем, резко расширяется и создаёт звуковую волну.)

Итак, звук создаёт не только колеблющееся, но и резко расширяющееся тело. Очевидно, что во всех случаях возникновения звука происходит перемещение слоёв воздуха, т. е. возникает звуковая волна.

Звуковая волна невидимая, её только можно услышать, а также зарегистрировать физическими приборами. Для регистрации и исследования свойств звуковой волны применим компьютер, который в настоящее время широко применяется учёными-физиками для исследований. На компьютере установлена специальная исследовательская программа, а также подключен микрофон, который улавливает звуковые колебания (приложение 4). Посмотрите на экран. На экране вы видите графическое представление звукового колебания. Что представляет собой данный график? (синусоиду)

Проведем опыт с камертоном с пером. Резиновым молоточком ударяем по камертону. Учащиеся видят колебания вилки камертона, но звука не слышат.

Вопрос: Почему колебания есть, а звук вы не слышите?

Оказывается, ребята, человеческое ухо воспринимает звуковые диапазоны в пределах от 16 Гц доГц, это слышимый звук.

Послушайте их через компьютер и уловите изменение частот диапазона (приложение 5). Обратите внимание на то, как меняется вид синусоиды при изменении частоты звуковых колебаний (период колебаний уменьшается, а следовательно частота увеличивается).

Есть неслышимые звуки для человеческого уха. Это инфразвук (диапазон колебаний меньше 16 Гц) и ультразвук (диапазон большеГц). Схему частотных диапазонов вы видите на доске, зарисуйте её в тетрадь (приложение 5). Исследуя инфра и ультразвуки учёные открыли много интересных особенностей этих звуковых волн. Об этих интересных фактах нам расскажут ваши одноклассники (приложение 6).

4. Закрепление изученного материала.

Для закрепления изученного материала на уроке предлагаю сыграть в игру ВЕРНО-НЕВЕРНО. Я зачитываю ситуацию, а вы поднимаете табличку с надписью, ВЕРНО или НЕВЕРНО, и поясняете свой ответ.

Вопросы. 1. Верно ли, что источником звука является любое колеблющееся тело? (верно).

2. Верно ли, что в зале, заполненном публикой, музыка звучит громче, чем в пустом? (неверно, т. к. пустой зал действует как резонатор колебаний).

3. Верно ли, что комар быстрее машет крыльями, чем шмель? (верно, т. к. звук, производимый комаром выше, следовательно, выше и частота колебаний крыльев).

4. Верно ли, что колебания звучащего камертона быстрее затухают, если его ножку поставить на стол? (верно, т. к. колебания камертона передаются столу).

5. Верно ли, что летучие мыши видят с помощью звука? (верно, т. к. летучие мыши излучают ультразвук, а затем слушают отражённый сигнал).

6. Верно ли, что некоторые животные «предсказывают» землетрясение с помощью инфразвука? (верно, например, слоны чувствуют землетрясение за несколько часов и при этом крайне возбуждены).

7.Верно ли, что инфразвук вызывает психические расстройства у людей? (верно, в Марселе (Франция) рядом с научным центром была построена небольшая фабрика. Вскоре после ее пуска в одной из научных лабораторий обнаружили странные явления. Пробыв в ее помещении пару часов, исследователь становился абсолютно тупым: он с трудом решал даже несложную задачу).

И в заключение предлагаю вам из разрезанных букв, путём перестановки получить ключевые слова урока.

КВЗУ – ЗВУК

РАМТНОКЕ – КАМЕРТОН

ТРЬАКЗУВЛУ – УЛЬТРАЗВУК

ФРАКВЗУНИ - ИНФРАЗВУК

ОКЛАБЕИНЯ – КОЛЕБАНИЯ

5. Подведение итогов урока и домашнее задание.

Итоги урока. На уроке мы выяснили, что:

Что любое колеблющееся тело создаёт звук;

Звук распространяется в воздухе в виде звуковых волн;

Звуки бывают слышимые и неслышимые;

Ультразвук – это неслышимый звук, частота колебаний которого выше 20кГц;

Инфразвук – это неслышимый звук с частотой колебаний ниже 16Гц;

Ультразвук широко применяется в науке и технике.

Домашнее задание:

1. §34, упр. 29 (Пёрышкин 9 кл.)

2. Продолжить рассуждение:

Я слышу звук: а)мухи; б)упавшего предмета; в)грозы, потому что ….

Я не слышу звук: а)от взлезающего голубя; б)от парящего в небе орла, потому что…

Прежде чем понять, какие источники звука бывают, задумайтесь, что такое звук? Мы знаем, что свет это излучение. Отражаясь от предметов, это излучение попадает к нам в глаза, и мы можем его видеть. Вкус и запах это маленькие частички тел, которые воспринимают наши соответствующие рецепторы. А звук это что за зверь?

Звуки передаются по воздуху

Вы наверняка видели, как играют на гитаре. Возможно, вы и сами умеете это делать. Важно другое звук в гитаре издают струны, если их дернуть. Все верно. А вот если бы вы могли поместить гитару в вакуум и дернуть струны, то вы бы очень удивились никакого звука гитара не издала бы.

Такие опыты проводились с самыми различными телами, и всегда результат был один никакого звука в безвоздушном пространстве не было слышно. Отсюда следует логичный вывод звук передается по воздуху. Следовательно, звук это нечто, происходящее с частицами веществ воздуха и издающих звук тел.

Источники звука - колеблющиеся тела

Далее. В результате самых разнообразных многочисленных экспериментов удалось установить, что звук возникает вследствие колебания тел . Источниками звука являются тела, которые колеблются. Эти колебания передаются молекулами воздуха и наше ухо, воспринимая эти колебания, интерпретирует их в понятные нам ощущения звука.

Проверить это не сложно. Возьмите стеклянный или хрустальный бокал и поставьте его на стол. Легонько стукните по нему металлической ложечкой. Вы услышите длинный тонкий звук. Теперь дотроньтесь рукой до бокала и стукните еще раз. Звук изменится и станет намного короче.

А теперь пусть несколько человек обхватят руками бокал максимально полностью, вместе с ножкой, стараясь не оставить ни одного свободного участка, кроме совсем маленького места для удара ложечкой. Вновь ударьте по бокалу. Вы почти не услышите никакого звука, а тот, что будет - получится слабым и очень коротким. О чем это говорит?

В первом случае после удара бокал свободно колебался, его колебания передавались по воздуху и достигали наших ушей. Во втором случае большая часть колебаний поглощалась нашей рукой, и звук стал гораздо короче, так как уменьшились колебания тела. В третьем случае практически все колебания тела моментально поглотились руками всех участников и тело почти не колебалось, а следовательно, звука почти не издавало.

То же самое касается всех иных экспериментов, которые вы можете придумать и провести. Колебания тел, передаваясь молекулам воздуха, будут восприниматься нашими ушами, и интерпретироваться мозгом.

Звуковые колебания разной частоты

Итак, звук это колебания. Источники звука передают звуковые колебания по воздуху к нам. Почему же тогда мы слышим далеко не все колебания всех предметов? А потому что колебания бывают разной частоты.

Воспринимаемый человеческим ухом звук это звуковые колебания частотой примерно от 16 Гц до 20 кГц. Дети слышат звуки более высоких частот, чем взрослые, а диапазоны восприятия различных живых существ вообще различаются очень сильно.

Звуки передаются по воздуху

Источники звука - колеблющиеся тела

Далее. В результате самых разнообразных многочисленных экспериментов удалось установить, что звук возникает вследствие колебания тел. Источниками звука являются тела, которые колеблются. Эти колебания передаются молекулами воздуха и наше ухо, воспринимая эти колебания, интерпретирует их в понятные нам ощущения звука.

Звуковые колебания разной частоты

Уши очень тонкий и нежный инструмент, подаренный нам природой, поэтому следует беречь его, так как замены и аналога в человеческом теле не существует.

Раздел физики, занимающийся звуковыми колебаниями, называется акустикой.

Человеческое ухо устроено так, что оно воспринимает колебания частотой от 20 Гц до 20 кГц как звук. Низкие частоты (звук от большого барабана или органной трубы) воспринимаются ухом как басовые ноты. Свист или писк комара соответствуют высоким частотам. Колебания частотой ниже 20 Гц называются инфразвуком , а частотой свыше 20 кГц - ультразвуком. Такие колебания человек не слышит, но есть животные, которые слышат инфразвуки, исходящие от земной коры перед землетрясением. Услышав их, животные покидают опасную местность.

В музыке акустические частоты соответствуют нотам. Нота «ля» основной октавы (ключ С) соответствует частоте 440 Гц. Нота «ля» следующей октавы соответствует частоте 880 Гц. И так все остальные октавы отличаются по частоте ровно в два раза. Внутри каждой октавы различают 6 тонов или 12 полутонов. Каждый тон имеет частоту в yf2 ~ 1,12 отличающуюся от частоты предыдущего тона, каждый полутон отличается от предыдущего в "$2 . Мы видим, что каждая следующая частота отличается от предыдущей не на сколько-то Гц, а в одинаковое число раз. Такая шкала называется логарифмической, так как равное расстояние между тонами будет именно на логарифмической шкале, где откладывается не сама величина, а ее логарифм.

Если звук соответствует одной частоте v (или со = 2tcv), то его называют гармоническим, или монохроматическим. Чисто гармонические звуки встречаются редко. Почти всегда звук содержит набор частот, т. е. его спектр (см. раздел 8 настоящей главы) сложен. Музыкальные колебания всегда содержат основной тон ссо = 2я/Т, где Т - период, и набор обертонов 2(Оо, Зсо 0 , 4соо и т. д. Набор обертонов с указанием их интенсивностей в музыке называется тембром. У разных музыкальных инструментов, у разных певцов, берущих одну и ту же ноту, тембр разный. Это придает им разную окраску.

Возможна примесь и некратных частот. В классической европейской музыке это считается неблагозвучным. Однако в современной музыке это используется. Даже используется медленное движение каких-либо частот в сторону увеличения или уменьшения (гавайская гитара).

В немузыкальных звуках возможны любые комбинации частот в спектре и их изменение во времени. Спектр таких звуков может быть сплошным (см. раздел 8). Если интенсивности для всех частот приблизительно одинаковы, то такой звук называют «белый шум» (термин взят из оптики, где белый цвет - совокупность всех частот).

Очень сложны звуки человеческой речи. Они имеют сложный спектр, который быстро меняется со временем при произнесении одного звука, слова и всей фразы. Это придает звукам речи различные интонации и акценты. В результате можно по голосу отличить одного человека от другого, даже если они произносят одни и те же слова.

Звуковая волна (звуковые колебания) — это передающиеся в пространстве механические колебания молекул вещества (например, воздуха).

Но далеко не всякое колеблющееся тело является источником звука. Например, не издает звука колеблющийся грузик, подвешенный на нити или пружине. Перестанет звучать и металлическая линейка, если переместить ее в тисках вверх и тем самым удлинить свободный конец настолько, чтобы частота его колебаний стала меньше 20 Гц. Исследования показали, что человеческое ухо способно воспри¬нимать как звук механические колебания тел, происходящие с час¬тотой от 20 Гц до 20000 Гц. Поэтому колебания, частоты которых находятся в этом диапазоне, называются звуковыми. Механические колебания, частота которых превышает 20 000 Гц, называются ультразвуковыми, а колебания с частотами менее 20 Гц — инфразвуковыми. Следует отметить, что указанные границы звукового диапазона условны, так как зависят от возраста людей и индивидуальных особенностей их слухового аппарата. Обычно с возрастом верхняя частотная граница воспринимаемых звуков значительно понижается — некоторые пожилые люди могут слышать звуки с частотами, не превышающими 6000 Гц. Дети же, наоборот, могут воспринимать звуки, частота которых несколько больше 20000 Гц. Колебания, частоты которых больше 20 000 Гц или меньше 20 Гц, слышат некоторые животные. Мир наполнен самыми разнообразными звуками: тиканье часов и гул моторов, шелест листьев и завывание ветра, пение птиц и голоса людей. О том, как рождаются звуки, и что они собой представляют, люди начали догадываться очень давно. Замечали, к примеру, что звук создают вибрирующие в воздухе тела. Еще древнегреческий философ и ученый-энциклопедист Аристотель, исходя из наблюдений, верно объяснял природу звука, полагая, что звучащее тело создает попеременное сжатие и разрежение воздуха. Так, колеблющаяся струна то уплотняет, то разрежает воздух, а благодаря упругости воздуха эти чередующиеся воздействия передаются дальше в пространство — от слоя к слою, возникают упругие волны. Достигая нашего уха, они воздействуют на барабанные перепонки и вызывают ощущение звука. На слух человек воспринимает упругие волны, имеющие частоту в пределах примерно от 16 Гц до 20 кГц (1 Гц — 1 колебание в секунду). В соответствии с этим упругие волны в любой среде, частоты которых лежат в указанных пределах, называют звуковыми волнами или просто звуком. В воздухе при температуре 0° С и нормальном давлении звук распространяется со скоростью 330 м/с, в морской воде — около 1500 м/с, в некоторых металлах скорость звука достигает 7000 м/с. Упругие волны с частотой меньше 16 Гц называют инфразвуком, а волны, частота которых превышает 20 кГц, — ультразвуком.

Источником звука в газах и жидкостях могут быть не только вибрирующие тела. Например, свистят в полете пуля и стрела, завывает ветер. И рев турбореактивного самолета складывается не только из шума работающих агрегатов — вентилятора, компрессора, турбины, камеры сгорания и т. д., но также из шума реактивной струи, вихревых, турбулентных потоков воздуха, возникающих при обтекании самолета на больших скоростях. Стремительно несущееся в воздухе или в воде тело как бы разрывает обтекающий его поток, периодически порождает в среде области разрежения и сжатия. В результате возникают звуковые волны. Звук может распространяться в виде продольных и поперечных волн. В газообразной и жидкой среде возникают только продольные волны, когда колебательное движение частиц происходит лишь в том направлении, в каком распространяется волна. В твердых телах помимо продольных возникают также и поперечные волны, когда частицы среды колеблются в направлениях, перпендикулярны к направлению распространения волны. Там ударяя по струне перпендикулярно ее направлению, мы заставляем бежать волну вдоль струны. Человеческое ухо неодинаково восприимчиво к звукам разной частоты. Наиболее чувствительно оно к частотам от 1000 до 4000 Гц. При очень большой интенсивности волны перестают восприниматься как звук, вызывая в ушах ощущение давящей боли. Величину интенсивности звуковых волн, при которой это происходит, называют порогом болевого ощущения. Важны в учении о звуке также понятия тона и тембра звука. Всякий реальный звук, будь то голос человека или игра музыкального инструмента, — это не простое гармоническое колебание, а своеобразная смесь многих гармонических колебаний с определенным набором частот. То из них, которое имеет наиболее низкую частоту, называют основным тоном, другие — обертонами. Разное количество обертонов, присущих тому или иному звуку, придает ему особую окраску — тембр. Отличие одного тембра от другого обусловлено не только числом, но и интенсивностью обертонов, сопровождающих звучание основного тона. По тембру мы легко отличаем звуки скрипки и рояля, гитары и флейты, узнаем голоса знакомых людей.

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. Голос человека создает звуковые колебания частотой от 80 до 12000 Гц, а слух воспринимает звуковые колебания в диапазоне 16-20000 Гц.
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. Поэтому форма колебаний одного звука речи заметно отличается от формы другого, на котором изображены графики колебаний при произношении звуков а, о и у.

Любые звуки человек характеризует в соответствии со своим восприятием по уровню громкости и высоте.