"Физика" на тему "Звуковая волна"

Министерство здравоохранения Республики Башкортостан
Государственное автономное профессиональное образовательное учреждение
Республики Башкортостан
«Стерлитамакский медицинский колледж»
МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА
УЧЕБНОГО ЗАНЯТИЯ
ПО ФИЗИКЕ
«ЗВУКОВАЯ ВОЛНА»
Разработал: преподаватель
физики и математики
Камалиев Линар Розябович
Стерлитамак, 2015 г.
Содержание
1. Пояснительная записка……………...…………………………………...........…3
2. Технологическая карта занятия. Структура занятия…………..………………4
3. Ход занятия…………………………………………………………………......…8
4. Заключение………………………………………………………………..…...…16
5. Список литературы……………………………………………...……….…...…17
6. Приложение…………………………………………......................................…18
6.1. Принцип работы слухового аппарата……………………...……...……….…18
6.2. Использование ультразвуковой волны в медицине……………………….…20
6.3. Тесты……………………………………………………………….……….....…22
6.4. Презентация по теме «Звуковая волна» …………………………..………..…23
6.5. Презентация по теме «Принцип работы слухового аппарата» ……...…..…24
6.6. Презентация по теме «Использование ультразвуковой волны
в медицине» …………………………………………...........................................…25
2
Пояснительная записка
Данная работа представляет собой методическую разработку учебного занятия по
предмету «Физика» на тему «Звуковая волна».
В учебниках по физике, даже для углубленного изучения, эта тема освещается
очень ограниченно. Поэтому стояла задача всесторонне рассмотреть данную тему,
включая прикладное использование ультразвуковой волны в медицине и принцип работы слухового и голосового аппарата человека, а также принцип строения музыкальных инструментов.
Целью данного занятия является ознакомление обучающихся с одним из видов
механических волн – звуковых. Данная тема позволяет наглядно продемонстрировать
трудное для них явление резонанс, с его практическим применением и его разрушающей способностью.
Физика не может быть изложена без использования демонстрации опытов, поэтому занятие включает демонстрацию опытов, наглядные средства обучения, а также видеоматериалы. Предполагается активное участие студентов по выполнению творческих
заданий опережающего характера – докладов с мультимедийным сопровождением.
На занятии с целью углубления знаний планируется творческая работа по созданию музыкальных инструментов из подручных материалов.
3
Технологическая карта теоретического занятия
Дисциплина: Физика
Тема занятия: Звуковая волна
Специальность: Сестринское дело
Тип урока: Изучения нового материала
Цели:
Дидактические:
познакомить учащихся
-со звуковыми волнами как одним из видов механических волн;
-с принципом работы слухового аппарата и голосовых связок;
-с применением ультразвука в медицине;
-с устройством музыкальных инструментов.
-ввести понятия высоты, тембра и громкости звука, показать их отличия;
Развивающие:
продолжить работу по развитию
-умений сопоставлять, сравнивать исходные данные;
-делать выводы по ранее изученному материалу для применения его в изучении нового
материала;
-выступать перед аудиторией с докладом, дискутировать.
Воспитательные:
- воспитывать интерес к предмету, стремление к творчеству;
- формировать познавательную потребность;
- прививать интерес к музыке;
-умение применять знания в нестандартных ситуациях.
- прививать бережное отношение к своему здоровью, в частности к слуху.
Межпредметные связи:
математика, биология, общепрофессиональные и профессиональные дисциплины.
Основные методы, применяемые на занятии:
информационно-развивающие:
- объяснение (аналитическая беседа, эвристическая беседа …)
- работа с доп. литературой, конспектом ….
наглядные:
- работа с …..
-м/м презентации;
творчески-воспроизводящие:
- путешествие в мир физических явлений;
Обеспечение занятия:
1. Наглядные пособия: музыкальные инструменты (духовые, ударные, струнные), стеклянный бокал, соломинка, смычок скрипки, металлический диск на подставке, камертоны.
2. Раздаточный материал: тест.
3. Технические средства обучения: ноутбук с установленными программами (виртуальный осциллограф, виртуальный частотный генератор, тюнер для музыкальных инструментов), видеопроектор с экраном, микрофон.
4
4. Литература:
Основная:
1. Физика. 11 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений: базовый и профил.
уровни / Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский; под ред. В.И. Николаева, Н.А.
Парфентьевой. - 19-е изд. - М.: Просвещение, 2013. - 399 с.
2. Физика. Задачник. 10-11 кл.: пособие для общеобразоват. учреждений / А. П.
Рымкевич. - М.: Дрофа, 2013. - 188 с.
Дополнительная:
1. Физика. 11 кл. Профильный уровень: учебник для общеобразовательных учебных заведений/ В.А. Касьянов. -7-е изд., доп. - М.: Дрофа, 2013 г.
5
Структура занятия
№
I.
II
III
IV
Этапы занятия
Вре
Содержание
мя
мин
Организаци1
Взаимное приветствие, проонный
верка отсутствующих, состояние аудитории, рабочих мест и
внешнего вида студентов, организация внимания.
Актуализация
3
Повторение изученных знаний
прежних зна«Механическая волна. Резоний
нанс», необходимых в данной
теме
Мотивация
3
Постановка учебной цели,
изучения темы
«вызов», обеспечивающий интерес к поставленной проблеме, профессиональная направленность при изучении темы
Изучение нового материала
45
5
Методы и формы обучения
Фронтальный опрос по
вопросам с использованием наглядных
средств
Вступительное слово о
роли изучаемой темы о
звуке в профессиональной деятельности медицинской сестры
фронтальная беседа
План темы
Объяснение с примене1. Понятие о звуковой волне, нием
демонстрации
звуковом давлении, характе- опытов
ристика звуковой волны
2. Принцип работы слухового Доклад студента с исаппарата
пользованием презентации
3. Резонанс
Продолжение объясне6
Средства обучения
Слайд 2 вопросы к теме,
Плакат «Механическая волна»
Презентация темы слайды 4 - 13
Презентация темы слайд 15
Приложение 1 с презентацией
Презентация темы слайд 16
ния с применением демонстрации опытов
4. Человеческая речь
4
V
VI
Творческая
самостоятельная
работа,
выполнение
заданий
малыми группами (3)
Закрепление
15
2
5
VII
Итоги занятия
6
1
Презентация темы слайды 17 - 18
5. Музыкальные инструменты
Презентация темы слайд 19
6. Фигуры Хладни
8. Практическое применение
Доклад с использовани- Приложение 2 с презентацией
звуковых волн в медицине.
Использование ультразвука в ем презентации
медицине
используя подручные матери- Работа малых групп
алы, создать
- деревянно-духовой инструмент
- ударный инструмент
- струнный инструмент
1. Фронтальный контроль по
вопросам
2. Контроль усвоения темы в
форме тестирования (два варианта).
3. Решение задач № 3
Краткие выводы о проделанной работе, краткая перспектива на следующее занятие.
Рекомендация к выполнению творческих заданий
Фронтальный опрос
Презентация темы слайд 20
Письменная индивидуальная работа
Приложение 3, раздаточный материал
Групповая работа
Презентация темы слайд 23
7
Мир звуков так многообразен,
Богат, красив, разнообразен,
Но всех нас мучает вопрос
Откуда звуки возникают,
Что слух наш всюду услаждают?
Пора задуматься всерьез.
1. Вступительное слово преподавателя
Вспомним, что мы знаем о звуке. С помощью одного из видов чувств –
слуха человек воспринимает окружающую действительность. Наряду со зрением слух является основным органом чувств. Также с помощью звуков человек
взаимодействует в социальной среде. Биологи сходятся во мнении, что именно
речь сделала обезьяну человеком.
Применение звука в медицине необходимо знать среднему медицинскому
работнику. Как используются свойства звука в медицинских аппаратах? С помощью звука, а именно ультразвука (это понятие мы подробно рассмотрим
позднее) производится диагностирование и оказание помощи пациентам. Познакомимся с приборами, которые используют особые свойства ультразвука.
Современные ультразвуковые стерилизаторы, например, Ультрасоник
Клинер, являются необходимым оборудованием для каждой клиники, медицинского центра. С их помощью можно легко и быстро решить проблемы дезинфекции необходимых инструментов.
В неврологии применяется энцефалография, которая позволяет выявить
выраженные объемные образования в полости черепа - опухоли, сосудистые
аномалии, кровоизлияния.
Ультразвук используется для получения озон/NO-содержащих лекарственных веществ, как в газообразном, так и жидком состоянии (озон, озонированные водные и масляные растворы).
В офтальмологии используется аппарат для ультразвуковой терапии УЗТ1.04, предназначенный для лечения ультразвуком различных заболеваний глаз:
воспалений роговицы, травматических катаракт, гемофтальма, частичной атрофии зрительного нерва, пигментной дегенерации сетчатки, рубцовых заболеваний век, мейбомиитов, холязионов, склеритов.
Также применяют DGH550 – ультразвуковой пахиметр, позволяющий проводить точные, надежные измерения толщины роговицы с максимальной простотой.
В хирургии используются ультразвуковые медицинские аппараты типа
"Тонзиллор-ММ", "Гинетон-ММ", "Стоматон-ММ", "Кавитон", которые предназначены для профилактики и лечения ран и раневой инфекции различного
происхождения, в частности УЗ резания и иссечения мягких и хрящевых тканей.
Фонофорез — сочетанный метод, при котором на ткани действуют ультразвуком и вводимыми с его помощью лечебными веществами (как медикаментами, так и природного происхождения). Проведение веществ под действием
8
ультразвука обусловлено повышением проницаемости эпидермиса и кожных
желез, клеточных мембран и стенок сосудов для веществ небольшой молекулярной массы.
В косметологии применяют приборы типа Sono Styler - аппарат для проведения процедур ультразвуковой терапии. Под воздействием ультразвука в
коже происходит активизация обмена веществ, детоксикация на клеточном
уровне.
Ультразвуковые аппараты используются для удаления зубного налета.
Ультразвук используется в компрессорных аппаратах для ингаляций.
Поэтому изучение данной темы необходимо не только для общего развития, но и в дальнейшей практической деятельности.
2. Актуализация опорных знаний
Проводится опрос по предыдущей теме «Механическая волна. Резонанс»,
знания которой необходимы при изучении новой темы. Студентам предлагаются вопросы:
1. Что называется длиной волны?
2. Как связана скорость и длина волны?
3. Какие волны называются поперечными, а какие продольными?
4. Что называется резонансом?
5. Может ли в воде распространяться поперечная волна?
6. Что может являться источником волн?
7. Происходит ли в волне перенос энергии, вещества?
8. На какие виды делят механические волны в зависимости от того, в каком
направлении частицы совершают колебания?
9. Могут ли поперечные волны распространяться в жидкости или газе?
10. Где могут возникать продольные волны?
А поперечные?
11. Какая из них при переходе механической волны из одной среды в другую не изменяется?
3. Объяснение нового материала с использованием мультимедийного сопровождения
3.1. Понятие о звуковой волне.
Сегодня на уроке мы рассмотрим физику звука.
Демонстрация опыта 1. Начнем с простого опыта. Возьмем металлическую
линейку. Держа линейку за один конец, приведем ее в колебание. Отклонив
второй конец от положения равновесия, обнаружим, что линейка звучит. Теперь возьмем линейку большую по длине и приведем её в колебание. Хотя колебания линейки происходит, но звука не слышно. Попробуем ответить на вопрос: «Почему?».
Объяснение: Пластина сжимает прилегающий к одной из ее сторон слой воздуха и одновременно создает разрежение с другой стороны. Эти сжатия и разре9
жения чередуются во времени и распространяются в обе стороны в виде упругой продольной волны. Последняя достигает нашего уха и вызывает вблизи него периодические колебания давления, которые воздействуют на слуховой аппарат. Это давление называют звуковым давлением.
Можно заметить, что частота колебаний второй линейки меньше. Сделаем
вывод, что существует порог человеческого слуха. Продемонстрируем это.
Демонстрация опыта 2. Возьмем звуковой генератор или ноутбук с программой виртуальный звуковой генератор и присоединим его к колонке. Для проведения демонстрации нам необходим флакон с раствором для пускания мыльных пузырей. Включим звуковой генератор. При подведении мыльного пузыря
к динамику увидим колебания пузыря вследствие воздействия переменного
звукового давления. Так же можно взять свечу и наблюдать колебания пламени
свечи. Затем на генераторе необходимо поставить частоту ниже порога слухового человеческого восприятия. Звук не слышен, но колебания среды происходит.
Сделаем вывод по проведенному опыту, что человеческий слух воспринимает колебание среды от 16 до 20000 Гц. Этот диапазон примерный. Так при
проведении опыта некоторые обучающиеся с хорошим (музыкальным) слухом
могут слышать звук даже за пределами этого диапазона.
Любое тело (твердое, жидкое или газообразное), колеблющееся со звуковой частотой, создает в окружающей среде звуковую волну. Звуковая волна
представляет собой последовательность сжатий и разрежений упругой среды
(воздуха, воды, стали), распространяющихся с определенной скоростью. Причем эта волна является продольной.
Демонстрация опыта 3. Возьмем ноутбук с программой виртуальный осциллограф, микрофон и камертон. При звучании камертона его временная развертка колебаний представляет собой синусоиду.
Сделаем вывод, что колебания камертона гармонические. Звук, издаваемый гармонически колеблющимся телом, называется музыкальным тоном.
Любая волна характеризуется частотой периодом, амплитудой. Звук же мы
отличаем по высоте, громкости. Громкость звука определяется амплитудой колебаний давления. Чем сильнее удар молоточка по камертону, тем громче звучит камертон. А более сильный удар вызывает колебания большей амплитуды.
Можно не сомневаться, что и громкость любого звука определяется амплитудой колебаний в звуковой волне. На осциллограмме более громкий звук имеет
большую амплитуду.
Нужно, однако, иметь в виду, что чувствительность нашего уха зависит от
частоты звука. Звуковые колебания одинаковых амплитуд не кажутся нам одинаково громкими, если частоты их различны. Наше ухо наиболее чувствительно к колебаниям с частотой около 3500 Гц.
Для того чтобы определить, с чем связана определенная высота звука,
нужно располагать несколькими камертонами различных размеров. Чем выше
звук, издаваемый камертоном, тем меньше период синусоиды и, следовательно,
тем больше частота колебаний камертона.
10
Высота звука (точнее, высота тона) определяется частотой колебаний. Это
также хорошо видно на осциллограмме, полученной на ноутбуке.
3.2. Принцип работы слухового аппарата
Доклад студента на тему «Устройство уха» с использованием презентации.
Приложение 1.
3.3.Резонанс
Так как мы рассматриваем колебательный процесс, то можно наблюдать
акустический резонанс.
Резонанс – это явление резкого возрастания амплитуды колебаний при
совпадении частоты вынуждающей силы с собственной частоты колебательной
системы.
Демонстрация опыта 4. Проще всего наблюдать акустический резонанс с помощью двух одинаковых камертонов. Ударив молоточком по ветви одного камертона, мы обнаружим вскоре, что и второй камертон начинает звучать.
Объяснение: Звуковая волна от первого камертона создает периодическую силу, действующую на второй камертон. Частоты колебаний камертонов одинаковы, и амплитуда колебаний второго камертона вследствие резонанса оказывается достаточно большой. Если же взять камертоны с различными собственными частотами, то второй камертон при возбуждении первого практически
звучать не будет.
Явление резонанса используется для усиления звучания камертона. Если
вилку камертона снять с ящика и возбудить в ней колебания, то звук будет
очень слабым. Разберемся в причине этого.
Воздух является упругим телом. Поэтому столб воздуха в трубе или ящике
обладает определенным набором собственных частот подобно натянутой
струне или резиновому шнуру. Иными словами, в столбе воздуха могут возникать стоячие волны.
Основной тон резонаторного ящика совпадает с собственной частотой колебаний камертона. Поэтому под влиянием периодической силы, с которой камертон действует на крышку ящика, в ящике возбуждается интенсивная стоячая волна. Звуковая волна создается в основном за счет колебаний воздуха в
ящике, а не ветвей камертона.
В духовых музыкальных инструментах (орган, кларнет, саксофон и т. д.)
под действием воздушной струи возбуждаются колебания с частотой, очень
близкой к собственной частоте колебаний столба воздуха в трубе. В зависимости от длины трубы возбуждаются колебания той или иной частоты.
Пагубное явление резонанса продемонстрируем с помощью проектора и
фрагмента видео «Демонстрация разрушения физических тел, используя их же
собственную резонансную частоту» (слайд 16).
У бокала есть частота собственных колебаний. Если частота вынуждающей силы совпадает с собственной частотой бокала, то резко возрастет амплитуда колебаний стенок стакана. Если мощность вынуждающей силы достаточно
большая, то бокал может разбиться.
Демонстрация опыта 5. Возьмем стакан и положим в него соломинку. Попросим студента с хорошим певческим голосом спеть, увеличивая частоту (т.е. вы11
соту). Обнаружится, что при некоторой частоте соломинка начнет колебаться.
Это и будет резонансная частота.
3.4. Человеческая речь
Человек использует явление звукового резонанса для общения, рассмотрим это. У человека органом, специально предназначенным создавать звуковые
колебания, является гортань. Используя воздушный шарик, можно понять
принцип работы связок. Сдавите шарик, но вместе с тем удерживайте пальцами
края отверстия, чтобы воздух не выходил. Теперь слегка отпустите края отверстия, чтобы воздух немного вышел. Поэкспериментируйте с краями отверстия,
чтобы убедиться, какие разные звуки оно издаёт в зависимости от количества
выходящего воздуха.
Части, составляющие гортань, причудливы. Щитовидный хрящ напоминает раскрытую книгу, корешок которой стоит вертикально. На что похож перстневидный хрящ, ясно из его названия, а черпаловидные хрящи – трехгранные
пирамидки. Как раз между этими пирамидками и щитовидным хрящом идут
голосовые связки – эластичные складки слизистой оболочки (слайд 17). При
выдувании воздуха из легких, поток воздуха заставляет колебаться голосовые
связки гортани, и они издают слабый звук, а ротовая полость играет роль резонатора, усиливающего звук. Когда мы говорим, мы изменяем объем ротовой
полости, в результате чего изменяется его резонансная частота. Таким образом,
человек может издавать звуки разной частоты. Высота и громкость звука зависит также и от скорости выдувания потока воздуха и натянутости связок (слайд
18).
3.5. Музыкальные инструменты
Человек еще с незапамятных времен использовал явление звукового резонанса на практике, в частности в музыкальных инструментах.
Учитель просит студентов, умеющих играть на инструментах выйти и сыграть небольшую мелодию. Для объяснения принципа работы музыкальных инструментов нужна гитара, саксофон (кларнет, фагот), труба (тромбон, валторна)
и гармонь (баян).
Рассмотрим гармонь. Она работает по принципу колебаний мембраны.
Когда гармонист растягивает меха, воздух втягивается в инструмент через клапаны, открываемые нажатием кнопок. Каждый клапан открывает своё отверстие, над которым находится пара металлических язычков. Язычки колеблются
под действием входящего/выходящего воздуха и издают звук. Высота звука зависит от размеров язычков - толщины, длины и ширины, а так же от материала,
из которого они изготовлены. Т.е. гармонь работает по принципу действия
наших вокальных связок.
Гитара. Гитара состоит из корпуса с декой, на которой расположены 6
струн разной толщины. Каждая струна соответствует определенному тону. Тон,
который издает струна, зависит от её толщины, степени натянутости и длины.
При колебании струна издает звуковую волну, соответствующую определенному тону (ноте), а дека является резонатором, усиливающим её. Так как частота
волны зависит от натянутости струны, то для того чтобы настроить гитару гитарист ослабляет или наоборот натягивает струну, чтобы ноты между собой
12
строили (был определенный интервал между частотами). Высота тона также зависит от длины струны, поэтому, когда гитаристу необходимо на данной струне
взят ноту выше, чем ей соответствует, то он укорачивает колеблющуюся часть
струны. На таком же принципе работают все струнные и смычковые инструменты (виолончель, скрипка, фортепиано и т.д.)
Перейдем к духовым инструментам. Рассмотрим саксофон. Он относится к
тростевым инструментам. К ним также относятся кларнет, фагот, гобой. При
вдувании струи воздуха в мундштук происходит вибрирование трости, которая
возбуждает собственные колебания столба воздуха в канале инструмента. Т.е.
трость является источником звуковых волн, а корпус инструмента резонатором.
В зависимости от объема столба воздуха, возбуждается та или иная частота,
причем, чем больше объем, тем меньше частота и, следовательно, высота звука.
Поэтому для того, что взять ноту ниже, саксофонист закрывает клапаны, увеличивая объем столба воздуха, при открывании клапанов, высота звука увеличивается, вследствие уменьшения объема.
Рассмотрим тромбон. Он относится к медно духовым инструментам. Вместо трости источником колебаний являются губы музыкантов. При вдувании
струи воздуха тромбонист перемещает кулису, тем самым изменяя объем столба воздуха, а, следовательно, и высоту ноты. Труба тоже относится к медно духовым инструментам, но характерным её отличием является отсутствие кулисы
и присутствие лишь трех клапанов (у саксофона их больше 20). Поэтому для
того чтобы трубач мог играть больше чем три ноты он использует не только
связь объема столба воздуха и частоты звука, но и частоты со скоростью потока
воздуха. Чем больше скорость, тем выше звук, поэтому для увеличения высоту
тона трубач увеличивает скорость вдуваемого воздуха, уменьшая щель между
губами.
Демонстрация опыта 6. Возьмем камертон, ударим по нему. Он издает определенный тон. Его звучание очень бедное и с музыкальной точки зрения
не интересное. Сыграем одну ноту на саксофоне. Звук его очень красив и сразу
слышно, что по составу он сложнее, чем звук камертона. Можно сделать вывод,
что наряду с основным тоном присутствуют другие, но с меньшей амплитудой
(обертоны).
Проверим нашу догадку. Получим временную развертку звуковых колебаний саксофона с помощью программы виртуальный осциллограф. Можно видеть, что колебания не гармонические, а искажены, т.е. присутствует наложение других гармоник на основной тон. Получим временную развертку и для
других инструментов: гитары, трубы и т.д. Можно видеть, что картина одной и
той же ноты разная для разных инструментов. Имея одинаковую частоту и
примерно одинаковую громкость, эти звуки отличаются друг от друга специфическим оттенком. Музыканты это особое качество звука называют тембром
(слайд 4).
Так в случае гитары при колебании струны вместе с основным тоном возбуждается много различных обертонов. Тембр звука определяется числом обертонов и их амплитудами. Причем частота обертонов кратна основной частоте.
13
Именно по тембру мы различаем звуки одинаковой высоты: человеческий голос, свист, звук струны рояля или кларнета.
Как раз наличие обертонов делает звучание музыкальных инструментов
неповторимым и очень красивым.
3.5.Фигуры Хладни
Рассмотрим опыт, который проводил немецкий ученый Эрнст Хладни в
конце XVIII века. Этот опыт не имел большого прикладного и теоретического
значения, но благодаря этому многие физики занялись акустикой. Что привело,
в конце концов, к большим открытиям.
Демонстрация опыта 7. На тонкий диск насыплем мелкий песок. Проведем по
краю смычком скрипки. Звуковые волны, пробегая по диску, создают рисунок
(узор). Разные звуки – разный узор. Под воздействием звука, давления звуковых волн и вибраций, беспорядочная россыпь песка на листе стекла или другой
пластине начинает выстраиваться в точные геометрические орнаменты. Причем, форма рисунка напрямую зависит от частоты звука. Такие фигуры называются фигурами Хладни (слайд 5).
Объяснение: На диске возникают так называемые стоячие волны (аналог колебаний струны). У стоячих волн есть узлы (точки, которые не колеблются) и
пучности (точки, в которых колебания максимальны по амплитуде). Если лист
посыпать песком, он будет перемещаться из пучностей в узлы и в результате
весь соберется в узлах, а в пучностях его не останется. Так возникают причудливые картины. Общий рисунок зависит от формы пластины, положения опор и
частоты вибрации (слайд 19).
3.6. Практическое применение звуковых волн в медицине
Доклад студента на тему «Использование ультразвука в медицине» с использованием презентации. Приложение 2.
4. Творческая самостоятельная работа
Мы проанализировали физику музыкальных инструментов и поэтому
можно попробовать самим смастерить их из подручных материалов. Преподаватель раздает студентам, разбившимся на 3 группы, предметы из которых
необходимо сделать инструменты деревянно-духовые, ударные, струнные и
сыграть незамысловатую мелодию. Для совершения проб и ошибок материалы
дублируются.
Рекомендации к выполнению задания:
- Самыми простыми инструментами являются ударные.
- Для создания флейты необходима полая трубка с одним закрытым концом. Необходимо сделать отверстие для вдувания струи воздуха и отверстия
для пальцев (5 – 9). Для точного вырезания отверстий необходимо использовать
программу «Музыкальный тюнер», с помощью которого необходимо «установить» первые две ноты. Так же необходимо учитывать, что отверстия для пальцев находятся на одинаковом расстоянии.
14
- Кларнет делается также как и флейта, только к одному из концов трубки
присоединяется мундштук от саксофона (поэтому трубка должна иметь оба открытых конца).
- Ксилофон можно сделать из кусков одного и того же материала (металл,
дерево, керамика), отличающихся по длине. Причем длины должны быть пропорциональны. Для подстройки нужно использовать программу «Музыкальный
тюнер».
- Ксилофон можно сделать и из одинаковых бутылок, в которые налита вода разного объема.
- Так же можно сделать горн из овощей.
5. Закрепление изученного материала
5.1. Фронтальный контроль по вопросам
1. Каково условие получения звуковых волн?
2. Почему летящего комара слышим, а птицу нет?
3. Механические колебания каких частот называются звуковыми? ультразвуковыми? инфразвуковыми?
4. Какое насекомое чаще машет крыльями в полете: шмель или муха? Почему вы так считаете?
5. Какое выражение верно?
всякое колеблющееся тело звучит;
всякое звучащее тело колеблется.
6. Некоторые солдаты, впервые попав в боевую обстановку, “кланяются”
пулям – нагибаются, услышав звук летящей пули. На сколько это разумно?
7. Что является самым лучшим звукоизолятором?
8. Почему бесшумен полёт бабочки?
9. Когда прислушиваются к отдалённому шуму, то невольно открывают
рот. Почему?
10. Можно ли исполнять мелодию на одной струне?
11. Можно ли в открытом космосе поддерживать связь с помощью звуковых сигналов?
12. Как изменится длина звуковой волны при переходе из воздуха в воду?
5.2. Актуализация полученных знаний в форме тестирования
Приложение 3.
5.3. Решение задач
1.Звук выстрела пушки дошел до наблюдателя через 30 с после того, как
была замечена вспышка. Расстояние между пушкой и наблюдателем 10 км.
Какова скорость звука в данном случае?
2.Скорость звука была впервые измерена французским ученым Био Жаном
Батистом. У одного конца чугунной трубы ударяли в колокол, у другого конца
наблюдатель слышал два звука: сначала один, пришедший по чугуну, а спустя
некоторое время второй — по воздуху. Длина трубы была 930 м, промежуток
времени между распространением звуков оказался равным 2,5 с. Найдите по
этим данным скорость звука в чугуне. Скорость звука в воздухе принять равной
15
340 м/с. Определите длину звуковой волны, которая распространяется в чугуне,
если частота колебаний равна 4 кГц.
3.Определите скорость звука в воде, если источник звука, колеблющийся с
периодом 0,002 с, возбуждает в воде волны длиной 2,9 м.
6. Подведение итогов урока
Сегодня на занятии мы всесторонне рассмотрели один из видов механических колебаний – звуковую волну. Определили его характеристики, связали их
с субъективными характеристиками звука. Изучили явление звукового резонанса и его практическое применение не только в практической деятельности человека, но и в биологической деятельности млекопитающих. Определили роль
звука в диагностике заболеваний.
Заключение
Надеюсь, что данная методическая разработка поможет преподавателям
при изучении данной темы.
Изучение применения УЗИ поможет в дальнейшем при рассмотрении
принципов работы магниторезонансных томографов, принципов лучевой терапии и применения рентгена в медицине, так как имеют схожие основы работы.
Физика слухового и голосового аппарата поможет обучающимся в дальнейшем
понимать, что человеческий организм построен на законах физики. Студенты
уяснят, что в любой области человеческой деятельности человек применяет законы физики.
16
Список литературы
1. Физика. 10 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений: базовый и профил.
уровни / Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский; под ред. В.И. Николаева,
Н.А. Парфентьевой. - 18-е изд. - М.: Просвещение, 2013. - 366 с.
2. Физика. Задачник. 10-11 кл.: пособие для общеобразоват. учреждений / А. П.
Рымкевич. - М.: Дрофа, 2013. - 188 с.
3. Физика. 11 кл. Профильный уровень: учебник для общеобразовательных
учебных заведений/ В.А. Касьянов. -7-е изд., доп. - М.: Дрофа, 2013 г.
4. Алдошина И. А. Музыкальная акустика: Учебник для высших учебных заведений/ И. Алдошина, Р. Приттс. - СПб: Композитор, 2013. - 720 с.
5. Эрбштейн М. С. Анатомия, физиология и гигиена дыхательных и голосовых
органов: Курс для певцов и ораторов/ М. С. Эрбштейн. - 2-е изд.. - М.:
ЛИБРОКОМ, 2013. - 216 с.. - (Музыка: искусство, наука, мастерство)
6. Кузнецов А. А. Акустика музыкальных инструментов. М.: Легпромбытиздат,
1989. – 368 с.
7. Бердников А.В., Семко М.В., Широкова Ю.А. Медицинские приборы, аппараты, системы и комплексы. Технические методы и аппараты для экспрессдиагностики. - Казань : Изд -во Казан . гос .техн . ун -та, 2011.-176 с.
17
Приложение 1
Устройство слухового аппарата
Ухо. Орган слуха и равновесия; в его функции входит восприятие звуковых
волн и движений головы. Воспринимающий аппарат уха представлен сложной
структурой, заключенной внутри самой твердой кости организма – височной.
Наружное ухо лишь концентрирует звуковые волны и проводит их к внутренним структурам. В плотной кости внутреннего уха находятся два чрезвычайно
чувствительных образования: улитка, собственно орган слуха, и вставленный в
нее перепончатый лабиринт – один из источников нервных сигналов в центральной нервной системе, благодаря которым поддерживается равновесие тела
(слайд 2).
Анатомия уха. Анатомически ухо делится на три части: наружное, среднее и
внутреннее ухо (слайд 3).
Наружное ухо. Выступающая часть наружного уха называется ушной раковиной, ее основу составляет полужесткая опорная ткань – хрящ. Отверстие
наружного слухового прохода расположено в передней части ушной раковины,
а сам проход направлен внутрь и слегка вперед. Ушная раковина концентрирует звуковые колебания и направляет их в наружное слуховое отверстие.
Среднее ухо, включающее барабанную полость и слуховую (евстахиеву)
трубу, относится к звукопроводящему аппарату. Тонкая плоская мембрана,
называемая барабанной перепонкой, отделяет внутренний конец наружного
слухового канала от барабанной полости – уплощенного, прямоугольной формы пространства, заполненного воздухом (слайд 4). В этой полости среднего
уха находится цепочка из трех подвижно сочлененных миниатюрных косточек
(слуховых косточек), которая передает колебания от барабанной перепонки во
внутреннее ухо. В соответствии с формой, косточки называются молоточек,
наковальня и стремя.
Молоточек своей рукояткой прикреплен к центру барабанной перепонки
при помощи связок, а его головка соединяется с наковальней, которая, в свою
очередь, прикреплена к стремени. Основание стремени вставлено в овальное
окно – отверстие в костной стенке внутреннего уха. Крошечные мышцы способствуют передаче звука, регулируя движение этих косточек (слайд 5).
Внутреннее ухо. Костная полость внутреннего уха, содержащая большое
число камер и проходов между ними, называется лабиринтом. Он состоит из
двух частей: костного лабиринта и перепончатого лабиринта. Костный лабиринт – это ряд полостей, расположенных в плотной части височной кости; в
нем различают три составляющие: полукружные каналы – один из источников
нервных импульсов, отражающих положение тела в пространстве; преддверие;
и улитку – орган слуха.
Перепончатый лабиринт заключен внутри костного лабиринта. Он наполнен жидкостью, эндолимфой, и окружен другой жидкостью – перилимфой, которая отделяет его от костного лабиринта.
Улитка и кортиев орган. Название улитки определяется ее спирально извитой формой. Это костный канал, образующий два с половиной витка спирали
18
и заполненный жидкостью. Внутри, на одной стенке спирального канала по
всей его длине расположен костный выступ. Две плоские мембраны идут от
этого выступа к противоположной стенке так, что улитка по всей длине делится
на три параллельных канала. Два наружных называются лестницей преддверия
и барабанной лестницей, они сообщаются между собой у верхушки улитки.
Центральный спиральный канал улитки оканчивается слепо, а начало его сообщается с мешочком. Спиральный канал заполнен эндолимфой, лестница преддверия и барабанная лестница – перилимфой. Перилимфа имеет высокую концентрацию ионов натрия, тогда как эндолимфа – высокую концентрацию ионов
калия. Важнейшей функцией эндолимфы, которая заряжена положительно по
отношению к перилимфе, является создание на разделяющей их мембране
электрического потенциала, обеспечивающего энергией процесс усиления входящих звуковых сигналов.
Лестница преддверия начинается в сферической полости – преддверии,
лежащем в основании улитки. Один конец лестницы через овальное окно (окно
преддверия) соприкасается с внутренней стенкой заполненной воздухом полости среднего уха. Барабанная лестница сообщается со средним ухом с помощью
круглого окна (окна улитки). Спиральный канал улитки отделяется от барабанной лестницы основной (базилярной) мембраной, которая напоминает струнный инструмент в миниатюре. Она содержит ряд параллельных волокон различной длины и толщины, натянутых поперек спирального канала, причем волокна у основания спирального канала короткие и тонкие. Мембрана покрыта
рядами чувствительных, снабженных волосками клеток, составляющих кортиев
орган, который выполняет высокоспециализированную функцию – превращает
колебания основной мембраны в нервные импульсы. Волосковые клетки связаны с окончаниями нервных волокон, по выходе из кортиева органа образующих
слуховой нерв (улитковую ветвь преддверно-улиткового нерва) (слайд 6).
Принцип работы уха. Звуковые волны вызывают колебания барабанной перепонки, которые передаются по цепи косточек среднего уха (слуховых косточек)
и достигают внутреннего уха в виде колебательных движений основания стремени в овальном окне преддверия. Во внутреннем ухе эти колебания распространяются как волны давления жидкости через лестницу преддверия к барабанной лестнице и по спиральному каналу улитки. Смысл наличия среднего уха
в том, что колебания воздуха слишком слабы, чтобы напрямую колебать жидкость, и среднее ухо вместе с барабанной перепонкой и перепонкой внутреннего уха составляют гидравлический усилитель - площадь барабанной перепонки
во много раз больше перепонки внутреннего уха, поэтому давление (которое
равно F/S) усиливается в десятки раз.
Во внутреннем ухе по всей его длине мембрана напоминающая струну,
жесткая к началу уха и мягкая к концу. Определенный участок этой мембраны
колеблется в своём диапазоне, низкие частоты - в мягком участке ближе к концу, самые высокие - в самом начале. Вдоль этой мембраны расположены нервы,
которые воспринимают колебания и передают их в мозг (слайд 8).
19
Приложение 2
Использование ультразвука в медицине
УЗИ (ультразвуковое исследование) – это исследование состояния органов
и тканей с помощью ультразвуковых волн. Проходя через ткани, а точнее через
границы между различными тканями, ультразвук отражается. Специальный
датчик фиксирует эти изменения, которые и являются основой изображения.
Ультразвуковая диагностика позволяет в короткие сроки и без вреда для
здоровья выявить и дифференцировать заболевания как на ранних стадиях, когда внешних проявлений болезни еще нет, так и на более поздних стадиях
(слайд 2, 3).
Физическая основа УЗИ — пьезоэлектрический эффект. При деформации
монокристаллов под воздействием ультразвуковых волн, на поверхности этих
кристаллов возникают противоположные по знаку электрические заряды —
прямой пьезоэлектрический эффект. При подаче на них переменного электрического заряда, в кристаллах возникают механические колебания с излучением
ультразвуковых волн. Таким образом, один и тот же пьезоэлемент может быть
попеременно то приёмником, то источником ультразвуковых волн. Эта часть в
ультразвуковых аппаратах называется акустическим датчиком.
Все ультразвуковые датчики делятся на механические и электронные. В
механических сканирование осуществляется за счет движения излучателя (он
или вращается или качается). В электронных развертка производится электронным путем. Недостатками механических датчиков являются шум, вибрация,
производимые при движении излучателя, а также низкое разрешение. Механические датчики морально устарели и в современных сканерах не используются.
Используются три типа ультразвукового сканирования: линейное (параллельное), конвексное и секторное. Соответственно датчики или трансдюсоры ультразвуковых аппаратов называются линейные, конвексные и секторные. Выбор
датчика для каждого исследования проводится с учетом глубины и характера
положения органа (слайд 4).
Ультразвук распространяется в средах в виде чередующихся зон сжатия и
расширения вещества.
Любая среда, в том числе и ткани организма, препятствует распространению ультразвука, то есть обладает различным акустическим сопротивлением,
величина которого зависит от их плотности и скорости ультразвука. Чем выше
эти параметры, тем больше акустическое сопротивление. Достигнув границы
двух сред с различным акустическим сопротивлением, пучок ультразвуковых
волн претерпевает существенные изменения: одна его часть продолжает распространяться в новой среде, в той или иной степени поглощаясь ею, другая —
отражается. Коэффициент отражения зависит от разности величин акустического сопротивления граничащих друг с другом тканей: чем это различие больше,
тем больше отражение и, естественно, больше амплитуда зарегистрированного
сигнала, а значит, тем светлее и ярче он будет выглядеть на экране аппарата.
Полным отражателем является граница между тканями и воздухом.
20
В простейшем варианте реализации метод позволяет оценить расстояние
до границы разделения плотностей двух тел, основываясь на времени прохождения волны, отраженной от границы раздела. Более сложные методы исследования (например, основанные на эффекте Допплера) позволяют определить
скорость движения границы раздела плотностей, а также разницу в плотностях,
образующих границу.
Ультразвуковые колебания при распространении подчиняются законам
геометрической оптики. В однородной среде они распространяются прямолинейно и с постоянной скоростью. На границе различных сред с неодинаковой
акустической плотностью часть лучей отражается, а часть преломляется, продолжая прямолинейное распространение. Чем выше градиент перепада акустической плотности граничных сред, тем большая часть ультразвуковых колебаний отражается. Так как на границе перехода ультразвука из воздуха на кожу
происходит отражение 99,99 % колебаний, то при ультразвуковом сканировании пациента необходимо смазывание поверхности кожи водным желе, которое
выполняет роль переходной среды. Отражение зависит от угла падения луча
(наибольшее при перпендикулярном направлении) и частоты ультразвуковых
колебаний (при более высокой частоте большая часть отражается).
Для исследования органов брюшной полости и забрюшинного пространства, а также полости малого таза используется частота 2,5 - 3,5 МГц, для исследования щитовидной железы используется частота 7,5 МГц.
Самая известная область применения УЗИ - это обследование женщин во
время беременности. С помощью УЗИ можно установить беременность начиная
с первых дней задержки менструации, контролировать процесс развития плода,
его положение в матке, выявить многие пороки развития ребенка (слайд 5, 6).
Что можно и чего нельзя увидеть на УЗИ.
УЗИ позволяет увидеть контуры исследуемых органов, оценить их форму
и размеры. Следовательно, можно выявить анатомические дефекты, аномалии
развития внутренних органов. Ультразвуковое исследование позволяет выявить
уплотнения различного характера (что часто является признаком того или иного заболевания), а также инородные образования: камни в желчном пузыре и в
почках, кисты, опухоли...
Методами УЗД невозможно обследовать полые органы (легкие, трахею,
кишечник, желудок, пищевод), так как ультразвук практически не отражается
от границы ткань-воздух. УЗД невозможно провести "через кость", поэтому,
скажем, ультразвуковое обследование головного мозга возможно только у детей раннего возраста, через открытый родничок.
Ультразвуковое обследование не всегда позволяет поставить точный диагноз. К примеру, по одному только УЗИ невозможно определить, какой характер имеет выявленная опухоль - доброкачественный или злокачественный. Даже при использовании самой современной аппаратуры серьезные помехи, затрудняющие, а то и делающие невозможной интерпретацию результатов обследования, могут возникать из-за избытка газов в желудочно-кишечном тракте
или из-за высокой степени ожирения обследуемого.
21
Приложение 3
Тесты по теме «Звуковая волна»
1 вариант
1. Чем определяется высота звука?
А. Частотой колебаний
Б. Длиной волны
В. Амплитудой колебаний
2. Чем определяется громкость звука?
А. Частотой колебаний
Б. Длиной волны
В. Амплитудой колебаний
3. Зубья вращающейся циркулярной пилы создают в воздухе звуковую волну.
Как изменится высота звука, издаваемого пилой при ее холостом ходе, если на
ней начать распиливать толстую доску из плотной древесины?
А. Повысится
Б. Понизится
В. Не изменится
4. Определите скорость звука в воздухе, если наблюдатель, находящийся на
расстоянии 4 км от орудия, услышал звук выстрела через 12 секунд после
вспышки?
А. 300 м/с
Б. 334 м/с
В. 360 м/с
5. Определите скорость звука в воде, если источник, колеблющийся с периодом 0,2 секунд, возбуждает в воде волны длиной 290 м.
А. 580 м/с
Б. 1450 м/с
В. 1480 м/с
6. Определите длину звуковой волны частотой 585 Гц в железной трубе, если
скорость звука 5850 м/с?
А. 0,1 м
Б. 10 м
В. 100 м
7. Частота колебаний источника звука 680 Гц, скорость распространения звука
340 м/с, чему равна длина волны?
А. 0,5 м
Б. 2 м
В. 50 м
8. Через какое время человек услышит эхо, если расстояние до преграды, отражающей звук, 68 м?
А. 0,2 с
Б. 0,3 с
В. 0,4 с
22
Тесты по теме «Звуковая волна»
2 вариант
1. Определите скорость звука в воде, если источник, колеблющийся с периодом 0,2 секунд, возбуждает в воде волны длиной 250 м.
А. 580 м/с
Б. 1250 м/с
В. 1480 м/с
2. Частота колебаний источника звука 640 Гц, скорость распространения звука
340 м/с, чему равна длина волны?
А. 0,5 м
Б. 2 м
В. 50 м
3. Через какое время человек услышит эхо, если расстояние до преграды, отражающей звук, 85 м?
А. 0,2 с
Б. 0,5 с
В. 0,4 с
4. Определите длину звуковой волны частотой 575 Гц в железной трубе, если
скорость звука 5750 м/с?
А. 0,1 м
Б. 100 м
В. 10 м
5. Чем определяется высота звука?
А. Частотой колебаний
Б. Длиной волны
В. Амплитудой колебаний
6. Зубья вращающейся циркулярной пилы создают в воздухе звуковую волну.
Как изменится высота звука, издаваемого пилой при ее холостом ходе, если на
ней начать распиливать толстую доску из плотной древесины?
А. Повысится
Б. Понизится
В. Не изменится
7. Определите скорость звука в воздухе, если наблюдатель, находящийся на
расстоянии 3 км от орудия, услышал звук выстрела через 10 секунд после
вспышки?
А. 300 м/с
Б. 334 м/с
В. 360 м/с
8. Чем определяется громкость звука?
А. Частотой колебаний
Б. Длиной волны
В. Амплитудой колебаний
23