Межпредметные связи физики и музыки

2

СОДЕРЖАНИЕ

межпредметный физика музыка волны колебание

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. МЕЖПРЕДМЕТНЫЕ СВЯЗИ. (МПС)

1.1 ПРОБЛЕМА РАЗРАБОТКИ МПС В ПСИХОЛОГО -ПЕДАГОГИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЕ

1.1.1 Развитие идеи МПС в педагогике

1.1.2Психологические основы МПС

1.2 СУЩНОСТЬ МПС

ГЛАВА 2. ФИЗИКА КОЛЕБАНИЙ

2.1 СВОБОДНЫЕ КОЛЕБАНИЯ

2.2 ВЫНУЖДЕННЫЕ КОЛЕБАНИЯ

2.3 УРАВНЕНИЯ КОЛЕБАНИЯ СТРУНЫ

2.4 КОЛЕБАНИЯ СКРИПИЧНОЙ СТРУНЫ

ГЛАВА 3. АПРОБАЦИЯ МЕТОДИКИ

3.1 ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕЖПРЕДМЕТНЫХ СВЯЗЕЙ ФИЗИКИ И МУЗЫКИ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ТЕМЫ «КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ»

3.2 КОНСПЕКТЫ УРОКОВ ПО ТЕМЕ «КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ»

ДЛЯ ВОСЬМЫХ КЛАССОВ СРЕДНЕЙ ШКОЛЫ

Урок 1. Звуковые волны

Урок 2. Характеристики звука

Урок № 3. Скорость распространения звука. Акустический резонанс

Урок № 4. Особенности восприятия звуковых волн человеком

Урок №5. Отражение звука. Эхо

Урок №6.Урок обобщения изученного материала

3.3 РЕЗУЛЬТАТЫ ПЕДАГОГИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

Контрольная работа №1

Контрольная работа №2.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ

В 1807 г. Томас Юнг опубликовал лекции, прочитанные им в Королевском институте Великобритании. В них он высказывает сожаление по поводу того, что в то время отношение к исследованиям колебаний и звука являлось в высшей степени непонятным и несправедливым. Эти явления связывались исключительно с вопросами музыки, и их изучение принято было считать простым развлечением, хотя «…многие явления, относящиеся к теории звука и колебаний становятся примечательны и занятны, что труд их исследователя будет сторицей вознагражден тем удовлетворением, которое он при этом получит» . [12]

Актуальность.

Вхождение в новое тысячелетие характеризуется поисками новых путей развития мировой образовательной системы. Особенно это касается первоначальной ступени-школы. В данной работе рассматривается возможность усовершенствования образовательного процесса через осуществление межпредметных связей физики и музыки. Сама идея использования межпредметных связей в процессе обучения ведет к повышению эффективности усвоения материала, так как при этом решается сразу несколько образовательных задач:

формируется целостность научной картины мира; нельзя преподавать науки в изоляции — это ведет к узкой специализации и слабому развитию кругозора. Осуществление межпредметных связей обеспечивает формирование цельного представления школьников о явлениях природы, делает их знания более глубокими [28];

5 стр., 2396 слов

Интегрированный урок экология + физика + биология по теме «Экология ...

... … Влияние звуков на человека Человек всегда жил в мире звуков и шума. Звуком называются такие механические колебания внешней среды, ... излучения. Глубина проникновения электромагнитного поля зависит от длины волны: миллиметровые волны поглощаются поверхностными слоями кожи, дециметровые – тканями, ... оттока тепла от облучаемых участков. В с связи с этим больше страдают органы, содержащие большое ...

ученик обучается переносить знания по другим дисциплинам на данную сферу научного познания;

снижается нагрузка на преподавателя, т.к. он избегает участи заново объяснять материал, который дети усвоили на другой дисциплине. Подтверждением вышесказанному являются статьи Н. К. Крупской «Диалектический подход к изучению различных дисциплин», «Методические заметки».[7]

С музыкой каждый человек знаком с раннего детства и встречается с ней постоянно в повседневной жизни. Многие дети изучают музыкальную грамоту в той или иной степени, придерживаются различных музыкальных течений. Т.е. музыка в любом случае является неотъемлемой частью жизни каждого человека. Следовательно, этим можно воспользоваться при изучении физики в средней школе.

Музыка и её восприятие, по сути, имеют психофизическую природу и могут быть описаны при помощи физики и физиологии. С точки зрения физики, музыка-это звуковые колебания, описываемые дифференциальными уравнениями. Физиология, в свою очередь, рассматривает восприятие музыки человеком: строение слухового аппарата, процессы, происходящие в организме при восприятии звуковых колебаний, вызываемые звуком ощущения и т.д..

Таким образом, при осуществлении связи физики и музыки происходит гуманизация и гуманитаризация физики. Гуманитаризация проявляется в том, что данная работа учитывает интересы учащихся, т.е. их увлечённость музыкой. Построение уроков вследствие этого исходит от ученика. Гуманизация же проявляется в том, что сама физика колебаний легче воспринимается учениками, требует меньше волевых и умственных усилий. К тому же использование музыкальных инструментов в качестве наглядных пособий возбуждает интерес школьников, а следовательно непроизвольное внимание и память, что в свою очередь повышает качество усвоения изучаемого материала.

В данной работе объектом исследования является процесс осуществления межпредметных связей в средней школе, предметом исследования-преподавание темы «Колебания и волны» в основной школе, через использование средств музыки.

Цель, преследуемая в данной работе: разработать методику преподавания темы «Колебания и волны» в основной школе с осуществлением межпредметных связей физики и музыки.

Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:

Рассмотреть сущность межпредметных связей и их влияния на эффективность усвоения изучаемого школьного материала.

Рассмотреть физическую природу музыки.

Разработать систему уроков по теме «Колебания и волны».

Апробировать данную систему уроков в школе и проанализировать результаты апробации.

Данная дипломная работа состоит из трёх глав. Первая глава посвящена изучению межпредметных связей, их сущности. Вторая глава посвящена изучению физики колебаний, здесь рассматриваются свободные и вынужденные колебания, уравнения колебаний струны. Третья глава посвящена апробации методики. Методика заключается в том, что при преподавании темы «Колебания и волны» в качестве наглядных пособий и экспериментального оборудования использовались музыкальные инструменты. Кроме этого на каждом уроке осуществлялась межпредметная связь физики и музыки. Результаты дипломной работы докладывались на Катановских чтениях 2002, 2003 г.

6 стр., 2767 слов

Виды музыкальной деятельности на уроках музыки в школе. Слушание, ...

... процессе активной музыкальной деятельности. На уроках музыки учащиеся, знакомясь с инструментальными и вокальными произведениями, учатся понимать их, приобретают знания, умения и навыки необходимые для ... на детских музыкальных инструментах; Импровизация и драматизация детских песен. Восприятие музыки Восприятие музыки – сложный процесс, в основе которого лежит способность слышать, переживать ...

ГЛАВА 1. МЕЖПРЕДМЕТНЫЕ СВЯЗИ. (МПС)

1.1 Проблема разработки МПС в психолого-педагогической литературе

1.1.1 Развитие идеи МПС в педагогике

Истоки идеи МПС можно найти в трудах Яна Амоса Каменского, который считал изолированное изучение взаимосвязанных явлений главной причиной непрочных знаний учащихся. В « Великой дидактике» он писал: «Всё, что находится во взаимной связи, должно преподаваться в такой же связи.»

И. Песталоцци, И. Гербарт, А. Дистерверг также понимали значение связи между учебными предметами как усвоение системных и прочных знаний.

В России идея МПС получила широкое отражение в 19-20 веках. Этой проблемой занимались такие люди как В.Г. Белинский, Н.А. Добролюбов, Н.Г. Чернышевский, К.Д. Ушинский.[17]

Ушинский сделал попытку обосновать необходимость осуществления МПС с психолого-педагогической точки зрения. Рассматривая различные виды ассоциативных взаимосвязей (по противоположности, сходству, времени, единству места и др.) он полагал, что без данных взаимосвязей у учащихся не может быть системных и целостных знаний. Он писал: «При распределении предметов преподавания в общеобразовательных заведениях должно иметь в виду не науки в их отдельности, а душу учащегося в системе её ценностей, её органическое, постепенное и всесторонние развитие. Не науки должны схоластически укладываться в голове ученика, а знания и идеи, сообщаемые какими бы то ни было науками, должны органически строиться в светлый и, по возможности, обширный взгляд на мир и его жизнь.»

Большой вклад в изучение МПС сделала Н. К. Крупская. Она требовала, чтобы идеи взаимосвязанного преподавания учебных дисциплин находили продуманное отражение в учебных программах. Крупская на конкретных примерах раскрыла действие МПС, подчёркивая, что они стимулируют познавательную деятельность, содействуют всестороннему развитию учащихся, расширяют кругозор в различных областях науки, формируют у школьников диалектический подход к пониманию явлений природы и обществу. Она считала, что основы наук, изучаемые в школе, должны быть тесным образом связаны между собой.[7]

В западных странах, таких как Англия, Франция, США, осуществление мпс проводили за счёт слияния нескольких учебных дисциплин в единую, объясняя это возникновением новых отраслей наук, таких как астрофизика, биохимия, физическая химия и т.п.

Данная концепция не давала положительных результатов, т.к. преподаватели интегрированных дисциплин не могли изложить материал каждой составляющей части в достаточно полной мере, всегда присутствовало преобладание знания какого-либо одного предмета над другим.

1.1.2Психологические основы МПС.

Психологической основой МПС является учение психолога Ю.А. Самарина об ассоциативном мышлении. Исследуя ассоциативную природу умственной деятельности в зависимости от характера объединения ассоциаций в системы соответствующего уровня И. М. Сеченов и И.П. Павлов доказали, что в основе чувственной реальности лежат временные нервные связи, возникающие в коре больших полушарий под непосредственным влиянием предмета действительности или словесных раздражителей на органы чувств. Образование самых элементарных ассоциаций — это «момент рождения мысли», начало знаний. Таким образом всякое знание есть ассоциация, или физиологическая временная связь, система знаний — это система ассоциаций или временных связей.

Локальная ассоциация — это простейшая нервная связь, образующая элементарные знания о предмете или явлении.

Частносистемные ассоциации -это простейшие системные ассоциации, которые образуются при изучении отдельной темы или какого-либо предмета, явления.

Внутрисистемные ассоциации представляют собой высокий уровень систем ассоциаций, при которых происходит более сложный процесс мышления учащихся.[4]

1.2 Сущность МПС

Целостная научная картина мира является мозаикой, состоящей из множества дисциплин, изучающих теории различного характера. Но, не смотря на то, что изучаемый материал очень разнообразен, между его различными элементами существуют логические цепочки, или связи, которые именуются межпредметными (МПС).

14 стр., 6577 слов

Использование структурных формул при обучении учащихся в составлении ...

... это определение не только позволяет формировать у учащихся понятие "учебная задача по физике", но и служит ... длительного процесса развития познания, концентрированным выражением исторически достигнутого знания. Образование понятия — сложный диалектический процесс, который ... цели должен выяснить неизвестное на основе использования его связи с известным. Наиболее общее определение понятия "задача", ...

Существование МПС обусловлено наличием единого корня у различных научных течений, в результате чего в различных дисциплинах используются одинаковые понятия, законы, методы изучения материала и т.п..

МПС выполняют следующие функции: 1) образовательные; 2)воспитательные; 3)развивающие .

Образовательные функции МПС нацелены на формирование целостной научной картины мира. Т.е. МПС выступают как дидактическое условие, метод отражения в индивидуальном сознании ученика объективных взаимосвязей различных форм движения материального мира, единства теории и практики.

Воспитательные функции. Интегрирование и координация содержания учебных предметов закладывают прочный фундамент научного миропонимания. Широкие философские обобщения-материальное устройство мира, законы развития и взаимосвязь явлений природы и общества-основываются на фундаментальных законах естествознания и обществознания. Развитие методологических понятий (закон, явление, гипотеза, модель, процесс), создающих системность знаний ученика, возможно лишь на основе широких МПС[5]. В анализе МПС прежде всего выделяется их мировоззренческая роль, раскрытие диалектико-материалистических основ развития общества и личности, единства науки и художественного творчества. Воспитательные функции МПС проявляются при их осуществлении в гуманитарных науках, через развитие этических и эстетических понятий, способствующих формированию нравственно-эстетических идеалов.

Развивающие функции. Повышая научно-теоретический и идейно-воспитательный уровни содержания знаний, МПС активизируют умственную деятельность школьника. Развивающие функции межпредметных связей влияют на развитие самостоятельности, познавательной активности и интересов учащихся. Через осуществление МПС ученики развивают своё логическое мышление, применяя свои знания в конкретной ситуации через перенос знаний.

Выстраивая модель классификации МПС, необходимо опираться на три системных основания: информационная структура учебного предмета, морфологическая структура учебной деятельности, организационно-методические элементы процесса обучения. Рассмотрение МПС с позиции целостности процесса обучения показывает, что они функционируют на уровне трёх взаимосвязанных типов:1) содержательно-информационных 2)операционно-деятельностных 3)организационно-методических.

10 стр., 4839 слов

1. Структура учебно-познавательной деятельности учащихся

... деятельности учащихся решающее значение имеет технология обучения их решению задач разных типов. Характерно при этом, что количество решенных задач для научения знаниям, ... и т.д., или письменно-речевая деятельность, мотивированная проблемой, а также КТД и проектная деятельность. Особенности методики Основной мотивацией учебной деятельности является познавательный интерес. Методы ...

1) Содержательно-информационный тип.

Название связей даны в соответствии с обобщёнными единицами научных знаний, названиями наук и форм общественного сознания.

Фактические связи. МПС на уровне фактов-это установление родства изучаемых в разных учебных дисциплинах фактов, подтверждающих и раскрывающих общие идеи и теории. Фактические связи играют существенную роль на начальной и средней ступенях обучения. Преобладание этого вида связей предопределено структурой изучаемых на данных ступенях учебных предметов.

Понятийные связи. Понятие-это форма человеческого мышления, с помощью которого познаются общие, существенные признаки предметов. Понятия должны быть гибкими, подвижными, относительными.

Мп понятия связи-это расширение и углубление признаков предметных понятий, и формирование общих для родственных предметов понятий. Психологический механизм формирования обобщённых понятий составляет перенос, «т.е. применение опыта к совершенно другим и разнородным вещам, когда синтезированные в понятии признаки встречаются в совершенно другом конкретном окружении других признаков.»[7]

Теоретические связи. Теория-это система научных знаний, в которых отражена взаимосвязь фактов понятий законов, постулатов, следствий, практических положений, относящихся к определённой предметной области. Мп теоретические связи в современных условиях обучения представляет собой поэлементное приращение новых компонентов общенаучных теорий из знаний, полученных на уроках по родственным предметам. Теоретические связи позволяют представить каждую теорию и закон как частные случаи более широких теорий и диалектических законов.

Мп философские связи-это обобщение конкретно-научных и философских представлений о мире, лежащих в основе усвоения учащимися ведущих идей диалектического и исторического материализма как метода познания и преобразования мира. Усложнение МПС по возрастным ступеням обучения позволяет одновременно повышать уровень их обобщения и соответственно развивать способность к методологическому обоснованию. Это расширяет границы научно-теоретического мышления. На основе общих положений материалистической философии выявляются сходные линии развития специализированных знаний, и складывается стройная система научно-философской картины мира. Содержание учебных программ позволяет реализовать МПС на уровне философских обобщений, которые требуют в основном перспективных связей с курсом обществоведения и введения отдельных философских понятий на более ранних этапах обучения.[6]

Идеологические МПС-это синтез идеологических знаний, включаемых в содержание предметов разных циклов. Такие связи направлены на формирование ценностного отношения учащихся к миру.

2) Операционно-деятельностный тип.

В программах школ специальное внимание уделено формированию умений учащихся. Сравнение перечней умений в программах по предметам естественно-научного цикла показывает их общность, определяемую единством методов научного познания природы и учебно-воспитательных задач: умения оценочной деятельности, умения познавательной деятельности, умения практической деятельности, умения учебной деятельности.

Актуальным является развитие исследований в области операционно-деятельностных МПС познавательного, практического, ценностно-ориентационного характера. Это направление разрабатывается в исследованиях МПС, раскрывает их развивающие функции. МПС, ориентированные на формирование обобщённых познавательных умений приводят к иерархии общих и специальных способов действий.

5 стр., 2243 слов

ФОРМИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ЗНАНИЙ О РАСТИТЕЛЬНОМ МИРЕ У ДЕТЕЙ СТАРШЕГО ...

... проблема формирования элементарной системы знаний у детей старшего дошкольного возраста. Предмет исследования: дидактическая игра как средство формирования системы знаний о растениях детей ... образованности детей по результатам констатирующего эксперимента………………………………………………………………….50 2.2.Формирование системы экологически ориентированных знаний о растительном мире у детей старшего дошкольного ...

Творческие умения относятся к обобщённым общепредметным умениям. Они отражают структуру творческой деятельности при изучении любого предмета: видение проблемы, новые связи объекта, ориентирования в альтернативных способах решения, их оригинальность, самостоятельный перенос знаний и умений в новую ситуацию, обобщение накопленных данных, их связь в новом знании. Опора на методы науки способствует формированию у учащихся общепринятых умений практической деятельности.

МПС по видам деятельности так же, как МПС по видам знаний раскрывают перед учащимися диалектику общего, особенного и единичного в познании мира. Они всегда вносят мировоззренческую ориентацию в процессе обучения. Как следствие МПС по видам знаний и видам деятельности выступает перенос видов отношений, формируемых в обучении предметам разных циклов при условии координации в работе учителей.

3) Организационно-методический тип.

МПС функционирует в учебном процессе, и осуществляются с помощью тех или иных методов и организационных путей. Это позволяет выдержать тип организационно-методических связей, которые обогащают методы, приёмы и формы организации обучения. Они обеспечивают эффективные пути усвоения учащимися общепринятых знаний и умений. МПС реализуются в различных формах учебной и внеурочной деятельности: на обобщающих уроках, уроках-лекциях, комплексных семинарах и экскурсиях, в домашних заданиях, на междисциплинарных факультативах, конференциях, тематических вечерах, в работе ученических научных обществ и т.п.

Т.о. общность структур учебных предметов и учебной деятельности в целостном процессе обучения, составляет объективные основания классификации МПС.

Понятие учебной проблемы утвердилось в диалектике в результате исследований М.И. Махмутова. Поиск идей комплексного осуществления МПС в предметной системе обучения показал необходимость использования понятия МПС (межпредметная) учебная проблема. Термин МПС означает, что сформулированная учебная проблема охватывает содержание ряда учебных предметов и предполагает его использование в процессе решения. Комплексность конкретизирует проблему по трём параметрам:1) включение определённого комплекса знаний и умений из разных учебных предметов 2) осуществление совокупности видов МПС 3) решение в комплексе задач образования, развития и воспитания учащихся с помощью МПС проблем. Т.о. МПС комплексная учебная проблема-это форма отражения логико-психологического противоречия процесса усвоения в предметной системе обучения, реализованного МПС, объединённые общепредметной идеей и нацеленные на достижение единства их образовательных, воспитательных и развивающих функций.

Мп комплексные учебные проблемы — это эффективное средство формирования мировоззренческих представлений учащихся о целостности научно-философской картине мира и вооружая их методологией его систематического познания. Т.о. проблемный подход к осуществлению МПС в обучении — это выдвижение МПС комплексных учебных проблем и их последующее решение с помощью МПС познавательных задач. Проблемность означает систематическое решение МПС познавательных задач, т.о. МПС составляет важнейший фактор перестройки содержательно-логической структуры учебного материала с позиции мировоззренческих идей. Возможны три дидактических варианта перестройки учебного материала предметов на основе принципа проблемности при осуществлении МПС: тематический, проблемно-тематический, широкий проблемный.

6 стр., 2600 слов

Раздел «Физиология сенсорных систем»

... 3.Барабанная перепонка – тонкая прозрачная мембрана, закрывает среднее ухо, преобразует звук колебания в механические. 4.Среднее ухо – заполнено воздухом, 2 отверстия с мембранами: ... Обонятельный анализатор. Строение обонятельного эпителия. Обонятельные рецепторы. Кодирование информации в обонятельной системе.  роль хеморецепция играет в жизни человека, предоставляя ему жизненно необходимую ...

Тематический подход — это использование МПС познавательных задач, проблемных вопросов, заданий для раскрытия ведущих идей и основных понятий учебной темы курса. Тематический подход обеспечивает единство конкретного и абстрактного в усвоении знаний. В организации тематического подхода к осуществлению МПС, первостепенное значение имеет их планирование, основанное на развитии связанных между собой предметных понятий и общепредметных умений с учётом содержания программ.

Проблемно-тематический подход — это выдвижение общей для учебной темы МПС проблемы и её этапное решение на уроках. Перестройка учебного материала осуществляется на основе ведущей мировой идеи, отражённой в МПС проблеме и охватывает почти все уроки темы. Логика решения учебной проблемы требует широкого использования внутрипредметных связей, которые повышают уровень обобщённости предметных знаний, и обеспечивает включение не только понятийных, но и теоретических, философских, идейных МПС[5].

Широкий проблемный подход — это выдвижение общей для ряда учебных предметов и тем МПС проблемы и её последующее решение в индивидуальной или коллективной работе учителей. Широкие МПС проблемы отражают общие для предметов учебно-воспитательные задачи и требуют взаимодействия учителей в создании общей программы учебного процесса как дидактической системы, в планировании уроков раскрывающих общую проблему.

Учебно-воспитательные задачи являются основной единицей системы учитель — учебный материал — ученик. Понятие задачи многозначно: узкое — задача как внешняя форма предъявления задания ученику, выраженная в материальной форме (словах, знаках); и более широкое — задача как цель, данная в определённых условиях. Цель и результат учебной задачи направлены на изменение самого субъекта, на овладение им определёнными способами действий.

Мп познавательная задача — это задача, которая включает ученика в деятельность по установлению и усвоению связей между структурными элементами учебного материала и умениями по разным учебным дисциплинам.

ГЛАВА 2. ФИЗИКА КОЛЕБАНИЙ

2.1 Свободные колебания

Хорошо известно, что в ряде случаев тело, получившее некоторое возмущение и предоставленное самому себе, после этого совершает колебания. Хотя такие свободные колебания сами по себе редко используются в технике, знакомство с ними необходимо, поскольку их роль в колебательном процессе чрезвычайно важна. Дело в том, что поведение системы при свободных колебаниях характеризуют её «динамическую индивидуальность», которая определяет поведение системы при всех других условиях. После того как по струне рояля ударит один из молоточков, струна продолжает совершать колебания — свободные колебания. Такие колебания возможны благодаря тому, что струна обладает двумя свойствами: 1) имеет массу и поэтому при своём движении может накапливать кинетическую энергию; 2) имеет способность накапливать потенциальную энергию при отклонении её от состояния равновесия.[10] Точно так же обычный маятник может совершать колебания благодаря тому, что, во-первых, он обладает массой, и во-вторых, при отклонении от положения равновесия он накапливает потенциальную энергию. Свободные колебания обладают следующими свойствами: 1)развитие движения во времени зависит от того, когда оно началось; 2) движение постоянно затухает.

10 стр., 4862 слов

Сенсорные системы человека 2

... на функцию сенсорной системы. Сенсорная система человека состоит из следующих подсистем: зрительная система, слуховая система, соматосенсорная система, вкусовая система, обонятельная система. Виды анализаторов показаны ... состоит из следующих подсистем: зрительная система, слуховая система, соматосенсорная система, вкусовая система, обонятельная система. Сенсорная информация, которую мы получаем с ...

Если ударить по клавише «ля» средней октавы рояля мы услышим звук с частотой 440 Гц. В действительности это есть лишь частота преобладающих колебаний, поскольку струны рояля совершают, кроме того, дополнительные малые колебания с частотами 4402, 4403, 4404 Гц и т.д. Эти колебания называются обертонами. Отчасти именно благодаря этим обертонам мы имеем возможность отличать звуки различных музыкальных инструментов, голосов людей, животных, птиц и т.д.

Для наилучшего представления этого колебания вообразим движение точки Q, описывающей с постоянной угловой скоростью окружность радиуса a.Проекция радиуса a на ось x равна

Q

a Aaa x

x=acos(t+) (3.1)

где t-произвольный момент времени, -начальная фаза колебаний. Формула (1.1) описывает гармонические колебания с периодом

T = 2/ (3.1)

В акустике используют так называемую линейную частоту колебаний:

=/ 2 (3.1)

Скорость точки, совершающей колебания по закону (3.1) найдём как

= dx/dt = — a sin(t+) (3.2)

Колебательная система обладает одной степенью свободы, если всевозможные конфигурации, которые она способна принимать, можно различить, приписывая соответствующие значения только одной переменной величине так называемой «обобщенной координате». Так, положение цилиндра, катящегося по горизонтальной плоскости, определяется углом, на который он поворачивается относительно некоторого начального положения.

Обозначим через q обобщённую координату, определяющую конфигурацию системы с одной степенью свободы. Если в результате бесконечно малого изменения координаты q, частица массы m проходит путь S, то

S=q (3.3)

где — коэффициент, обычно различный для различных частиц, а также зависящий от той конкретной конфигурации q, которая подверглась изменению. Отсюда, разделив на приращение времени Дt, получим для скорости этой частицы

V=dq/dt=q (3.4)

Следовательно кинетическая энергия частицы

T=Ѕ(mVІ)=ЅaqІ (3.5)

Где

a=(m)І

Коэффициент a является, вообще говоря, функцией q; его можно назвать «коэффициентом инерции» для данной конфигурации q. Например, в случае цилиндра если q — угловая координата, то a — момент инерции (обычно переменный) относительно линии соприкосновения цилиндра с горизонтальной плоскостью. Потенциальная энергия системы, поскольку она зависит от конфигурации системы, является функцией только координаты q. Если обозначить её через , то по закону сохранения энергии

ЅaqІ+=const (3.6)

при условии, что система свободна от действия внешних сил. Значение const, количественно, определяется начальными условиями. Если продифференцировать это уравнение по t и почленно поделить на q то получим

aq+Ѕ(da/dq)qІ+d/dq=0 (3.7)

Это выражение можно рассматривать как уравнение свободного движения системы, из которого исключены неизвестные реакции между её частями. Для случая малых колебаний уравнение сильно упрощается. Для существования положения равновесия уравнение должно удовлетворяться при q=const.Это требует выполнения

10 стр., 4891 слов

Сила и методика её развития.

... имеется многократное перемещение тела (например, в гимнастике), успех обеспечивает относительная сила. Проявление силы находится в прямой зависимости и от биомеханических условий движения: длины ... веса), способствует максимальной мобилизации нервно-мышечного аппарата и наибольшему приросту мышечной силы. Однако он связан с большими психическими напряжениями, что неблагоприятно, особенно ...

d/dq=0 (3.8)

значит, равновесная конфигурация характеризуется тем, что при малых отклонениях от положения равновесия потенциальная энергия «стационарна». Прибавляя или отнимая некоторую константу, можно выбирать q т.о., чтобы оно обращалась в ноль при рассматриваемой нами равновесной конфигурации; тогда, разлагая в степенной ряд по малой величине q, имеем

=const+ЅcqІ+… (3.9) [13]

Ввиду стационарности в положении равновесия, в разложении отсутствует член с первой степенью q. Const=C>0, если равновесная конфигурация устойчива, и имеет минимум. Её можно назвать «коэффициентом устойчивости». Подставив в (3.7) уравнение (3.9) и опустив члены второго порядка относительно q и q? получим :

aq+Cq=0 (3.10)

где a теперь можно считать постоянной величиной, имеющей значение, соответствующее конфигурации равновесия.

C/a=І (3.10′)

и следовательно

q=Ccos((t+) (3.11)

_т.е. гармоническая функция и

=1/2C/a (3.11)

Далее, поскольку смещение от положения равновесия любой части системы при её движении по своей траектории пропорционально q (в приведённых выше обозначениях оно равно q), мы видим, что каждая частица совершает гармонические колебания с указанной частотой и отдельные частицы движутся синхронно, одновременно проходя через средние положения. Кроме того, амплитуды колебаний разных частиц находятся в постоянном отношении друг к другу; произвольны только абсолютная величина амплитуды и фаза колебания; они зависят от заданных начальных условий. Кинетическая и потенциальная энергии будут соответственно равны:

T=ЅaqІ=ЅnІaCІsinІ(t+) (3.12)

=ЅcqІ=ЅcCІcosІ(t+) (3.13)

а их сумма

T+=ЅІaCІ+ЅcCІ (3.14)

Средние значения sinІ(t+)=cosІ(t+)=Ѕ, поэтому энергия системы в среднем является наполовину кинетической и наполовину потенциальной. Для приложения теории к частным случаям требуется только вычислить коэффициенты a и c, причём (в задачах механики) вычисление последнего обычно более сложно. В случае тела, подвешенного на проволоке и совершающего крутильные колебания вокруг оси проволоки, a-момент инерции относительно этой оси, а c-коэффициент крутильного момента, т.е. cq-это крутильный момент, возникающий при повороте тела на угол q.

Если в задаче о массе, подвешенной на пружине предположить, что вертикальное перемещение любой точки пружины пропорционально расстоянию z от точки подвеса при отсутствии растяжения, то кинетическая энергия определяется следующим выражением:

2T=MqІ+0l(z/l)ІqІdz=(M+1/3l)qІ (3.15)

где — линейная плотность, l — длина пружины в нерастянутом состоянии и q смещение груза. [13]

2.2 Вынужденные колебания

Рассмотрим синусоидальную периодическую силу с некоторой определённой частотой. Если эта сила приложена к механической системе, то система будет колебаться по синусоидальному закону с той же частотой. Совпадение частоты изменения силы с частотой колебательного процесса характерно для вынужденных колебаний. Вынужденные колебания могут возникать в самых разных условиях. Существенной особенностью возбуждающей колебания силы является то, что модуль её остаётся неизменным вне зависимости от того, вибрирует или нет тело, к которому эта сила приложена. Если частота возбуждающей силы сравнима с собственной частотой системы, то следует ожидать интенсивных колебаний, называемых резонансом.

Явление резонанса может оказывать как положительное, так и отрицательное воздействие. Например, при создании музыкальных инструментов, для усиления их звучания, используют резонаторы, в качестве которых выступает корпус музыкальных инструментов. Кроме этого при помощи резонанса можно, не прилагая особых усилий, привести в движение достаточно массивное тело. С другой стороны, в случае, когда амплитуда колебаний превышает силы упругости колеблющегося тела, резонанс оказывает отрицательное воздействие. В промышленности, для гашения нежелательных резонирующих колебаний, существует два различных метода: первый метод состоит в «отстройке» системы путём такого изменения собственных частот, чтобы они не совпадали с частотами возбуждения или наоборот изменять частоту возбуждающей силы; второй метод заключается в специальном увеличении демпфирования системы. Первый метод наиболее эффективен, но его не всегда можно осуществить. При большом демпфировании интенсивные колебания мало вероятны и поэтому на практике расчёт существующих резонансных частот не отличается от расчёта собственных частот систем без сил трения. В тех случаях, где отстройка системы невозможно применяются демпферы.[11]

Если внешние силы действуют на систему с одной степенью свободы, обобщённая координата которой есть q, то работу, произведённую ими при бесконечно малом изменении конфигурации пропорционально q, можно обозначить через Qq. Q — обобщённая сила, действующая на систему относительно обобщённой координаты q. Например: если q -угловая координата тела, которое может вращаться вокруг своей оси, то Q -момент внешних сил относительно этой оси. Отсюда следует, что при любом реальном движении системы, мощность внешних сил равна Qq’. Уравнение энергии принимает теперь следующую форму:

d/dt(T+)=Qq’ (4.1)

или

aq»+ Ѕ (da/dq)q’І+d/dq=Q (4.1′)

Рассматривая малые колебания около положения равновесия, можно как и прежде пренебречь членами второго порядка. Подставив получим:

aq»+cq=Q (4.2)

Если Q -гармоническая сила, например сила пропорциональная cos((t), то вынужденные колебания выражаются функцией

q=Q/(c-Іa) (4.3)

Когда очень мало q=Q/c. Это значение можно назвать статистическим или «равновесным» значением смещения; это — статистическое смещение, которое было бы создано постоянной силой, равной мгновенному значению Q. Другими словами, это то смещение, которое сила создавала бы в системе, лишённой инерции (a=0).[11]

Если на систему действуют две или более гармонических вынуждающих сил, результирующее вынужденное колебание получится путём простого сложения. Так например, вынужденная сила

Q=А 1cos(1t+1)+А2cos(2t+2)+… (4.4)

Вызовет вынужденные колебание

q=(А1/(212)) cos(1t+1)+(А2/(222)) cos(2t+2)+… (4.5)

Заметим, что из-за различия знаменателей, амплитуды отдельных членов этого выражения не пропорциональны амплитудам соответствующих членов в выражении для Q.[11]

2.3 Уравнения колебания струны

Будем считать, что струна обладает постоянной линейной плотностью и растянута силой натяжения P. Направление оси x выберем вдоль положения равновесия струны, через y обозначим поперечное отклонение в точке x в момент времени t. Предполагается, что угол наклона y/x кривой, образованный струной в любой момент времени t, настолько мал, что изменением натяжения можно пренебречь. При этих условиях уравнением движения элемента x будет

x 2y/t2 =Psin() (5.1)

где — угол наклона касательной относительно оси x. Действительно, правая часть представляет собой разность проекций в направлении y натяжения на обоих концах элемента. [15] На основании только что сделанного предположения можно положить

sin < tg = y/ x (5.1′)

так что уравнение (1) можно переписать

2y/t2=V2 2y/t2 (5.2)

где V2=P/, где V — скорость. Кинетическая энергия любого участка струны выражается интегралом

T=1/2 y’2dx (5.3)

взятым в соответствующих пределах. Потенциальную энергию можно вычислить двумя способами: 1) можно представить, что струна перемещается из состояния покоя в положении равновесия, в состояние покоя в любом другом заданном положении при помощи приложенных к ней поперечных сил. Для простоты предполагаем, что на любой стадии этого процесса все ординаты находятся в постоянном отношении (K) к своему конечному значению y, так что последовательные формы струны отличаются только по амплитудам силы, которая должна быть приложена к элементу x, для того чтобы уравновесить натяжение на его концах, есть

-/x (Psin)x

синусу следует положение равное Ky/x при увеличении K на x приращение смещения равно yK. Полная работа, выполненная над этим элементом, поэтому будет равна:

-Pyy» x 01 Kdk= -1/2 Pyy»x (5.4)

а потенциальная энергия

=-1/2 P yy» dx (5.5)

Пользуясь вторым методом, мы вычислим работу, произведённую при растяжении струны против натяжения P. Увеличение длины элемента x приблизительно равно

1+y’2 x — x=1/2 y’2x (5.6)

так что

=1/2 P’y’2dx (5.7)

Эти выражения дают одинаковые результаты, когда интегрирование выполнено по всей возможной длине струны.[15] Действительно при интегрировании по частям получим:

-yy»dx= -[yy’]+y’2dx (5.8)

Первый член справа относится к значениям на пределах интегрирования струны. Он исчезает на концах возможного участка, т.к. здесь y равно нулю.

2.4 Колебания скрипичной струны

Теория колебания струны, возбуждаемой действием смычка, довольно сложна, однако основные моменты этой теории были выяснены Гельмгольцем. Поскольку высота тона оказывается соответствующей собственной частоте струны, колебания могут, в известном смысле, считать «свободными», функция смычка заключается в поддерживании движения путём сообщения струне энергии. В скрипке и других инструментах, у которых струны сделаны из лёгкого материала и опираются на подставку, укреплённую на поверхности, очень легко приводимой в движение (крышка резонансной полости), потери энергии могут быть относительно велики. Действие смычка состоит в том, что благодаря трению, он в течение некоторого времени увлекает за собой струну, затем струна отрывается от смычка и отходит назад под действием собственной упругости; после некоторого промежутка времени смычок снова захватывает струну и ведёт её вперёд и т.д., причём полный цикл занимает период свободного колебания.[16]

Чтобы получить данные для материального исследования, Гельмгольц начал с экспериментального изучения характера колебаний в различных точках. Период колебаний наблюдаемой точки слагается из двух промежутков времени, обычно неравной длительности, в течении которого точка движется взад и вперёд, соответственно, с постоянными, но, вообще говоря, неравными скоростями. Далее, установлено, что отношение обоих промежутков времени равно отношению двух отрезков, на которые струна делится в этой точке. Эти результаты подтверждены исследованиями в результате которых получили временной график зависимости пути, проходимого точкой, более непосредственным способом. Для получения чётких кривых следует принять некоторые меры предосторожности. Многое зависит от умелого пользования смычком и от качества инструмента. Чтобы избежать неудачных искажений графика, смычок должен касаться струны в узле одной из гармоник, а наблюдаемая точка должна находиться в другом узле той же гармоники. За исключением тех двух моментов, в каждом периоде, когда происходит внезапное изменение скорости, ускорение наблюдаемой точки равно нулю. Из уравнения

2y/t2=V22y/x2 (6.1)

следует, что вблизи P кривизна струны должна быть равна нулю, и, значит, в любой момент форма, принимаемая струной, составлена из прямых отрезков. Оказывается, что можно удовлетворить всем условиям задачи, предположив, что форма струны всегда состоит из двух таких отрезков, пересекающихся в некоторой переменной точке Q. [14]

Пусть на рис.1 AB=L -невозможное положение струны и пусть = AN и =NQ.

Уравнение обоих участков струны будут:

y1=x/ (6.2)

y2=(L-x)/(L-) (6.3)

и разность между скоростями точек, лежащих вблизи точки Q по обе стороны от неё равна:

y’1 — y’2= — L’/(L — ) (6.4)

_ A Q

___

_

N B

Рис. 1

За время t, точка Q проходит участок струны ‘t, так что скорость массы ‘t на приведённую выше величину. Это есть результат возбуждения поперечной силы

Py’2— Py’1 = — PL/(L-) (6.5)

где P -натяжение, действующее в течение времени t.[14]

Приравнивая изменение количества движения импульсу силы, находим

a2 =P/=V2 (6.6)

Точка Q разрыва наклона струны должна перемещаться направо и налево со скоростью c. Предположим, что точка Q начинает своё перемещение из A в момент t=0 и что вначале положительно. Наблюдения Гельмгольца показали, что скорость в точке x, а именно

y’2=(L — x) d/dt (/(L — ))=(L — x)c d/d(/(L — )) (6.7)

постоянна в течение промежутка времени x/c, откуда

=c(L- ) (6.8)

аддитивная постоянная отсутствует, т.к. должна обращаться в нуль вместе с . Это уравнение дуги параболы, проходящей через точки A и B. Поэтому все условия задачи будут удовлетворены, если предположить, что точка Q движется взад и вперёд вдоль двух таких дуг со скоростью c так, как это показано на рис.1. Подставляя значение максимального смещения 0, получим

C=+40/L2 (6.9)

и уравнение обоих участков струны в любой момент времени имеет вид

y1=40(L — )x/L2 (6.10)

y2=40(L — x)/L2 (6.10′)

Остаётся разложить это колебание на его гармонические составляющие, что даёт следующий результат:

y=80/2 Ѕsin(sx/L)sin(s(ct/L) (6.11)

где суммирование производится по всем целым положительным значениям s.

Наиболее простой случай вынужденных колебаний осуществляется путём сообщения струне в некоторой точке (x=a) заданного гармонического движения

y=cos(Pt+) (6.12)

Участки струны по обе стороны от этой точки следует рассматривать отдельно. Решениями будут

y1=sin(Px/c)cos(Pt+)/sin(Pa/c) [0<x<a] (6.13)

y2=sin(P(L-x)/c)cos(Pt+)/sin(P(L-a)/c) [a<x<L] (6.13′)

т.к. они удовлетворяют общему дифференциальному уравнению (6.1) для x=0 и x=L дают y1=0 и y2=0, а для x=a сводятся к (6.12).

Амплитуды y1 и y2 сильно возрастают, вследствие малости знаменателя, когда Pa/c или P(L-a)/c приблизительно равны величине, кратной , т.е. когда период вынужденных колебаний 2/P приблизится к периоду собственных колебаний струны длиной a или (L-a) соответственно. Чтобы получить для этих случаев результат, имеющий практическое значение, следует учесть диссипативные силы.[17]

Рассматриваемый случай можно осуществить, прижимая ножку камертона к фортепьянной струне. Звук сильно возрастает каждый раз, когда какая-либо из собственных частот участка струны между точкой соприкосновения и любым из её концов совпадает с собственной частотой колебаний камертона. Этот метод предложен Гельмгольцем как способ получения чистых тонов, т.к. высшие собственные частоты камертона не гармоничны по отношению к основной частоте и поэтому не усиливаются. Если на струну действует поперечная сила и на единицу длины приходится сила I, то уравнение (6.1) можно записать как

2y/t2=(P2y/x2)+I (6.14)

Вообще I может зависеть одновременно и от x и от t.

Случай периодической силы Fcos(Pt+), сосредоточенной на бесконечно малом отрезке струны вблизи x=a, можно вывести из (6.13) и (6.13′).

Величину можно выразить через F, исходя из условия точного уравновешивания силы натяжения струны в этой точке; при x=a должно быть

Fcos(Pt+)=Py’1 — Py’2 (6.15)

Отсюда получаем

y1=csin(Px/c) sin(p(L-a)/c) Fcos(Pt+)/P2sin(PL/c) (6.16)

y2=c sin(Px/c) sin(p(L-x)/c) Fcos(Pt+)/P2sin(PL/c) (6.16′)

Как правило, амплитуда сильно возрастает, когда величина sin(PL/c) мала, т.е. когда период вынужденных колебаний приближается к одному из периодов собственных колебаний всей струны. В случае, когда одновременно sin(Pa/c)=0 и sin(PL/c)=0, имеет место неопределённость, точка x=0 при этом совпадает с узлом. [17]

Силы трения между смычком и струной — это силы сухого трения. Можно говорить о силах трения покоя и трениях скольжения. Первая сила возникает между соприкасающимися, но неподвижными друг относительно друга телами, вторая — при скольжении одного тела по поверхности другого.

Сила трения покоя всегда равна по величине и противоположна по направлению внешней силе. Сила трения скольжения зависит от материала тел и от состояния трущихся поверхностей, а также от относительной скорости этих тел.

При начальном движении смычка струна отклоняется вместе с ним. При этом сила трения покоя уравновешивается силами натяжения струны. Равнодействующая F сил натяжения пропорциональна отклонению струны x от положения равновесия:

F=2Tsin=4T0x/l

где l -длина струны, а T0 -сила натяжения струны, которую при малых отклонениях можно считать постоянной. Поэтому при движении струны вместе со смычком сила F будет расти, и в тот момент, когда она станет равной максимальной силе трения покоя, начнётся проскальзывание.

В момент срыва скорость струны равнялась скорости смычка, и в начале струна будет продолжать отклоняться в сторону движения смычка. Но теперь равнодействующая сила натяжения ничем не скомпенсирована, поэтому она будет тормозить движение струны, замедляя его. В какой-то момент скорость струны упадёт до нуля, затем струна начнёт двигаться обратно; после максимального отклонения от положения равновесия в противоположную начальной сторону струна опять будет двигаться в сторону движения смычка. А смычок будет двигаться равномерно со скоростью u. В некоторый момент скорости струны и смычка сравняются. При этом между струной и смычком проскальзывания уже нет, и появляется сила трения покоя, равная равнодействующей сил натяжения.

При дальнейшем движении струны до положения равновесия силы натяжения уменьшатся, и соответственно уменьшается сила трения покоя. После прохождения струной положения равновесия процесс повторяется. Таким образом, мы получаем незатухающие колебания.[30]

ГЛАВА 3. АПРОБАЦИЯ МЕТОДИКИ

3.1 Осуществление межпредметных связей физики и музыки при изучении темы «Колебания и волны»

В курсе средней общеобразовательной школы колебания и волны целесообразно не объединять вместе, а изучать в соответствующих разделах — механические колебания и волны при изучении механики, а электромагнитные — при изучении электродинамики.

Межпредметные связи физики и музыки удобно осуществлять при изучении акустических явлений, т.е. звуковых колебаний и волн. Изучение акустических явлений, т.е. распространения в упругой среде механических колебаний, способствует расширению понятия волны — от волн, непосредственно воспринимаемых визуально, до невидимых. Это в какой-то мере готовит учащихся к восприятию физической сущности электромагнитных волн. Кроме того, при изучении звуковых явлений можно закрепить те знания учащихся о волнах и их характеристиках, которые к тому времени они имеют.

По программе Громова С.В. на изучение звуковых колебаний и волн в восьмом классе выделяется два часа, мы считаем, что этого количества часов недостаточно, т.к. звуковые явления разнообразны и рассмотрение их физической природы требует особого внимания, поэтому предлагается выделить шесть часов, что позволит более детально изучить звуковые явления. Так как запланировано меньшее количество часов, можно использовать внеклассные занятия, или резервные часы.

Использование средств музыки можно считать целесообразным по следующим причинам:

1. Осуществляется эстетическое воспитание, через использование музыкальных фрагментов.

2. Используется принцип наглядности, т.к. ученики не только слышат звук, но и видят источник звука, в частности струну, совершающую колебания. Использование камертона не позволяет продемонстрировать колебание его ветвей, из-за малой амплитуды, а колебания струны заметны человеческому взгляду.

3. Развивается логическое мышление учеников, через принцип причинности. Так, например, при введении понятия звуковых колебаний проводят следующие размышления при ответе на вопрос откуда взялся звук: внешняя сила возбуждает колебания в струне, это демонстрируется, эти колебания распространяются в воздухе и достигают нашего уха, мы слышим звук, следовательно звук — это колебания.

4. Используется принцип новизны. Немногие ученики средних общеобразовательных школ имеют доступ к музыкальным инструментам, поэтому наличие такового на уроке возбуждает непроизвольное внимание, интерес, а также непроизвольную память, основанную на чувственном восприятии, которая сохраняется гораздо дольше произвольной памяти.

Использование музыкальных средств можно осуществлять при помощи учителя музыки, или при помощи учеников, занимающихся в музыкальных школах или кружках, если такие ученики имеются в классе, это позволит разрядить обстановку урока, диалога учителя и ученика. Ещё лучше, когда педагог сам знаком с музыкальными инструментами.

Рассмотрим, какие музыкальные инструменты удобно использовать для осуществления межпредметных связей физики и музыки. Прежде всего, фортепиано, оно имеется в каждой школе, звучит благодаря колебаниям струн, но его использование осложняется следующим: 1) приходится переходить в кабинет музыки, а это потеря времени, смена обстановки, а значит и потеря дисциплины; 2) корпус фортепиано создан так, что наблюдать колебание струн возможно только с одной стороны, а поэтому не всем доступно; 3) на сегодняшний день, в большинстве средних общеобразовательных школ стоят старые инструменты, состояние и звучание которых оставляет желать лучшего. Очень удобно использовать мобильные инструменты, например скрипка, гитара, баян и т.п.. Эти инструменты можно легко принести в кабинет физики, они обеспечивают необходимую наглядность. Целесообразно использование гитары, это достаточно простой музыкальный инструмент, амплитуда колебаний струн достаточно велика, чтобы её заметить, струны всегда на виду у учеников, характеристики звуковой волны можно произвольно менять без особого труда, что позволяет продемонстрировать зависимость частоты колебаний от длины струны и её массы. Для скрипки также характерны эти качества, но амплитуда колебаний струны меньше, чем у гитары. С баяном более сложная ситуация, т.к. он, как и все духовые инструменты, звучит благодаря колебаниям тонких пластинок, которые укрыты его корпусом и недоступны всеобщему просмотру.

Использование скрипки на уроках, проведённых в ходе педагогического эксперимента, обусловлено субъективными причинами, т.к. преподаватель умеет играть на скрипке.

Эффективность использования средств музыки на уроках физики при изучении темы «Колебания и волны» в восьмых классах была проверена в 2001 году в школе №3 и в 2003 году в школе № 18 г. Абакана. Результаты апробации в обеих школах были хорошими.

В 2003 году в школе №18 г. Абакана был проведён педагогический эксперимент. Преподавание темы «Колебания и волны» велось в двух восьмых классах, один из которых был экспериментальным, другой — контрольным.

Классы изначально подбирались одинаковыми по успеваемости не только по физике, но и по другим школьным дисциплинам, что определялось через оценки в журналах. Кроме этого при знакомстве с классами проводились беседы, в которых выявилось, что ученики этих классов имеют приблизительно одинаковый уровень интеллектуального развития.

В контрольном классе преподавание велось по программе Громова С.В., а в экспериментальном классе уроки проходили с осуществлением межпредметных связей физики и музыки. Конспекты эти уроков представлены в следующем параграфе.

3.2 Конспекты уроков по теме «Колебания и волны» для восьмых классов средней школы

В конспектах уроков применяются следующие сокращения: У — это учитель, Д — дети. В данном случае подразумевается, что отвечает один из учеников, без указания имён и фамилий.

Урок 1. Звуковые волны.

Цель: ученик должен знать понятие звуковой волны.

Задачи:

образовательная: раскрыть содержание понятия звуковая волна. воспитательная: эстетическое образование, через использование музыкальных инструментов в качестве наглядных пособий.

развивающая: развитие логического мышления учащихся при введении понятия звуковых волн.

План.

1. Организационный момент. (2 мин)

2.Постановка учебной проблемы. (3 мин.)

3. Изучение нового материала. (30 мин.)

4. Подведение итогов. (5 мин)

Ход урока.

1. Организационный момент.

У: Ветер прошумел листвой негромко,

Капельки дождя упали звонко.

Сделай своё радио потише,

Голоса природы слышишь? Слышу.

О чём эти строки?

Д: О природе, о дожде, о звуках.

2. Постановка учебной проблемы.

У: О звуках. Действительно, мы с вами живём в мире звуков. Мы слышим как звучит музыка, голос собеседника, как утром звенит будильник, но мы не задумываемся над тем почему мы это слышим и что такое звук. Собственно говоря, зачем нам что-то слышать, неужели это необходимо?

Д: Да, нам надо слышать, чтобы общаться.

У: Неужели? Захотел пообщаться — напиши письмо.

Д: Но ведь люди не всегда умели писать.

У: Вы правы. Значит, способность слышать нам помогает общаться друг с другом. Но разве слух нужен только для этого?

Д: Нет. По слуху можно определить где находится источник звука.

У: Совершенно верно. Ещё на заре времён первобытный охотник пользовался слухом, чтобы определить где находится добыча. Время шло, человек развивался, но не утратил способность слышать. Но все-таки, что мы слышим и почему мы слышим нам пока не ясно. Для начала выясним, что мы слышим.

Д: Мы слышим различные звуки.

У: Прекрасно, а что такое звук?

Д: Звук — это наш голос, шорох листьев, звучание музыкальных инструментов.

3. Изучение нового материала.

У: Совершенно верно. Давайте на примере музыкальных инструментов разберём, что же такое звук. Итак, у меня в руках гитара.(учитель играет мелодию на гитаре) Что вы сейчас слышали ?

Д: Мы слышали, как звучала гитара.

У: А почему она звучала?

Д: Вы дёргали её за струны.

У: Да, но что при этом происходит со струной? (учитель для наглядности дёргает одну струну )

Д: Струна колеблется.

У: Правильно. Но почему мы слышим эти колебания?

Д: Потому что они распространяются в воздухе, и мы их слышим.

У: А если нет воздуха, мы услышим колебания струны?

Д: Да, услышим. Струна всё равно будет колебаться.

У: Давайте проверим вашу гипотезу на эксперименте. Для этого поместим под купол электрический звонок. Вы слышите его звук?

Д: Да, слышим.

У: Теперь мы откачаем воздух из под купола и снова включим звонок. Вы его слышите?

Д: Нет.

У: Я тоже. Но почему?

Д: Не знаем.

У: Давайте это выясним. Итак, мы знаем, что звук распространяется в воздухе, а в безвоздушном пространстве не распространяется. Вспомним, что такое воздух.

Д: Воздух — это смесь газов, которые состоят из молекул.

У: Вернёмся к опыту. Мы возбуждаем колебания струны (снова демонстрируются колебания струны).

Колебания струны порождают колебания в воздухе. Согласны?

Д: Да.

У: А почему такое происходит?

Д: Не знаем.

У: Это происходит благодаря силам упругости среды. Колебания струны вызывают смещение молекул воздуха, находящихся вблизи неё. За счёт молекулярных сил, молекулы воздуха отталкиваются друг от друга, смещая соседние молекулы. Таким образом, в воздухе появляются чередующиеся зоны сжатия и разрежения, т.е. возникает продольная волна. Распространяясь в среде, эта волна достигает нашего уха, а точнее барабанной перепонки, которая начинает колебаться, в результате чего мы слышим звук. Теперь вспомним звонок под куполом. Мы откачали воздух из под купола. Почему мы не слышали звонок?

Д: Потому, что под куполом безвоздушное пространство, а значит, нет упругой среды для распространения звука.

У: С учётом этого дадим определение звуку. Звук — это…

Д: …продольная упругая волна, способная вызывать у человека слуховые ощущения.

У: Итак, мы выяснили, что звук это волна. В нашем эксперименте звук появлялся после возбуждения колебаний струны. Теперь рассмотрим ещё один прибор, он называется камертон. Ударим по ветви камертона. Что происходит?

Д: Мы слышим звук.

У: Ветвь камертона при этом колеблется. Отсюда можно сделать следующий вывод: источником звука является …

Д: любое колеблющееся тело.

У: А какие источники звука вам известны?

Д: Музыкальные инструменты, сигнализация, моторы машин, голос.

У: Совершенно верно. Причём человеческий голос, как источник звука очень интересен: он может быть различным, у женщин нежнее, у мужчин грубее. А почему?

Д: Не знаем.

У: Над этим вопросом подумайте дома.

4. Подведение итогов.

У: А теперь подведём итоги нашего занятия. Что вы сегодня узнали?

Д: Мы узнали, что звук — это упругая продольная волна, способная вызывать у человека слуховые ощущения, источником звука является любое колеблющееся тело, а слышим мы звук благодаря барабанным перепонкам.

У: Наше занятие подходит к концу, запишите домашнее задание § 24 и ответьте на вопросы к параграфу.

Вопросы для закрепления материала:

1. Что такое звук?

2. Что является источником звука?

3. Почему мы слышим звуки?

Урок 2. Характеристики звука.

Цель: ученик должен знать характеристики звуковой волны.

Задачи:

образовательная: раскрыть характеристики звуковой волны.

Воспитательная: эстетическое образование через использование музыкального оформления.

Развивающая: развитие логического мышления при построении причинно-следственных цепочек.

План.

1. Организационный момент. (2 мин)

2.Постановка учебной проблемы. (3 мин)

3.Изучение нового материала. (30 мин)

4.Подведение итогов. (5 мин)

Ход урока.

1. Организационный момент.

У: Здравствуйте, присаживайтесь. Что мы изучали на предыдущем занятии?

Д: Мы изучали звуковые волны, и выяснили, что звук -это продольная, упругая волна, вызывающая слуховые ощущения .

1. Постановка учебной проблемы.

У: А что может служить источником звука?

Д: Любое колеблющееся тело.

У: А благодаря чему мы можем слышать звук?

Д: Благодаря нашим барабанным перепонкам.

3.Изучение нового материала.

У: Теперь приступим к изучению нового материала. Звук это колебания, а колебания можно описать при помощи некоторых параметров. Каких?

Д: Период, частота, амплитуда. Период это время, за которое совершается одно полное колебание. Частота это число колебаний, совершённых в единицу времени. Амплитуда это максимальное отклонение колеблющейся точки от положения равновесия.

У: Можем ли мы описывать звук этими параметрами?

Д: Конечно можем, ведь звук это колебания.

У: Совершенно верно. Теперь попытаемся выяснить, от чего зависит частота звука. Для этого вспомним предыдущий урок, в конце которого я задал вам вопрос: почему у мужчин голос грубее, а у женщин нежнее? Вы нашли ответ?

Д: Мы нашли, что голос порождается голосовыми связками.

У: Давайте это выясним. Для этого снова обратимся к музыкальным инструментам. Рассмотрим колебания одной струны (возбуждаются колебания струны на гитаре).

Вы запомнили, как она звучит?

Д: Да.

У: Теперь послушайте колебания этой же струны (струна зажимается пальцем).

Между этими двумя звуками была разница?

Д: Да, второй звук был выше.

У: Совершенно верно, а почему?

Д: Потому, что вы зажали струну.

У: Т.е. я уменьшил её длину. Изменяя длину источника звука мы меняем и частоту колебаний звука. Причём чем меньше длина источника звука, тем больше частота колебаний, и следовательно звук выше. Теперь вы можете ответить на вопрос о голосовых связках?

Д: Тогда получается, что у мужчин голосовые связки длиннее, чем у женщин.

У: Так оно и есть. У мужчин длина голосовых связок 20-25 мм, у женщин 18-20 мм. Но звуки отличаются не только частотой, послушайте. (играются звуки на различных струнах, сначала на нижних, затем на верхних) Вы заметили разницу между звуками?

Д: Да. Последние звуки, частота которых больше как-то пищат, а первые, частота которых меньше, звучали насыщенно, густо.

У: Совершенно верно. Насыщенность звука, густота его звучания называется тембром звука. Дело в том, что когда извлекается звук, мы слышим не только звук определённой частоты, но звук с множеством гармоник. Гармоники — это звуки, с частотами, кратными частоте основного звука. Так, например если я играю звук ля первой октавы, частота которого 440 Гц, то вы слышите звуки с частотами 440 Гц, 880 Гц, 220 Гц, 1320 Гц и т.д. Количество этих гармоник определяет густоту тембральной окраски. Возникает вопрос: почему струны имеют различную тембральную окраску?

Д: Наверное тембральная окраска зависит от материала, из которого изготовлена струна.

У: Это верное предположение. Посмотрите на струны. Как вы видите, они имеют разную толщину, за счет обмоток. Например, верхние струны без обмотки, а нижние имеют две или три обмотки, которые также совершают колебания, в результате чего и возникают гармоники.

Теперь приступим к изучению ещё одной характеристики звука -амплитуде колебаний. Послушайте музыку, (звучит негромкая мелодия) Прозвучала мелодия, теперь послушайте её снова и найдите разницу между первым и последним исполнением, (та же мелодия исполняется громко)

Д: В первый раз мелодия звучала тише.

У: А почему?

Д: Потому, что во второй раз вы сильнее дёргали струны.

У: Правильно, таким образом, я увеличивал амплитуду колебаний струны.

Д: Т.е. амплитуда колебаний определяет громкость звука?

У: Да. Единицей громкости является величина, называемая соном, от латинского сонус — звук. Для сравнения послушайте некоторые числовые значения: громкостью в один сон обладает приглушённый разговор, обычный разговор два сона, громкий уличный шум 8 сон.

Также важной характеристикой звука является интенсивность. Интенсивность — это энергия звуковой волны, прошедшей за единицу времени, через единицу площади некоторой поверхности, перпендикулярной направлению распространения волны. Единица измерения интенсивности Белл, по имени американского изобретателя телефона А.Г. Белла. На практике чаще используют дБ, 1Б=10 дБ. Человеческий шепот соответствует уровню интенсивности в 20-30 дБ, разговор 40-60 дБ, крик 80 дБ. При интенсивности выше 75 дБ человек испытывает дискомфорт. В области дискомфорта лежат уровни интенсивности звуков, издаваемых отбойным молотком (90 дБ), шумом в поезде метро (80-90 дБ).

При уровне интенсивности более 130 дБ, человек начинает испытывать боль, долговременное воздействие звуков с таким уровнем интенсивности может привести к потере слуха.

4.Подведение итогов

У: Итак, подведём итоги нашего занятия. Что нового вы сегодня узнали?

Д: Мы узнали, что частота колебаний зависит от размеров источника звука, узнали что тембральная окраска определяется количеством гармоник. Узнали, что громкость звука измеряется в сонах, а интенсивность в децибелах.

У: На этом закончим наш урок. Запишите домашнее задание: §24.

Вопросы для закрепления:

1. От чего зависит частота колебаний?

2. Чем определяется тембральная окраска?

3. От чего зависит громкость звука?

4. Что такое интенсивность звука?

5. Почему комар пищит, а пчела жужжит?

6. Что надо сделать певцу, чтобы взять высокую ноту?

Урок № 3. Скорость распространения звука. Акустический резонанс.

Цель: ученик должен знать скорость распространения звука в различных средах и понятие резонанса.

Задачи.

Образовательная: изложить теоретический материал.

Воспитательная: эстетическое образование при использовании музыкальных инструментов в качестве наглядных пособий.

План.

1. Организационный момент. (2 мин)

2. Постановка учебной проблемы. (3 мин)

3. Изучение нового материала. (30 мин)

4. Подведение итогов. (5 мин)

Ход урока.

1. Организационный момент.

У: Здравствуйте, присаживайтесь. На предыдущих уроках мы занимались изучением звуковых волн. Чтобы вспомнить это послушаем немного музыки. (звучит музыка)

2.Постановка учебной проблемы.

У: Итак, мы с вами сейчас прослушали мелодию, т.е. мы слышали звуки. А что такое звук?

Д: Звук -это упругая продольная волна, способная вызывать слуховые ощущения.

У: А почему эта волна называется упругой?

Д: Потому, что она распространяется за счёт сил упругости среды.

У: Хорошо. Нам с вами известно, что звук распространяется в воздухе. А будет ли звук распространяться в другой среде, ну например в воде или дереве?

Д: Да, будет. Ведь и дерево и вода это упругие среды, а значит в них звук будет распространяться.

3.Изучение нового материала.

У: Хорошо, а одинакова ли будет скорость распространения звука в различных средах?

Д: Наверное нет. Хотя может быть и одинаковой.

У: Прежде чем ответить на этот вопрос, вспомните те моменты, когда вы поедали сухарики. Помните?

Д: Да, они так громко хрустят.

У: Создаётся впечатление, что все вокруг слышат это.

Д: Да, точно такое впечатление.

У: Но на самом деле это не так. Хруст сухарей не такой уж громкий.

Д: А почему мы слышим его таким громким?

У: Давайте разберём эту ситуацию. Итак, звук распространяется за счёт сил упругости среды. Вспомните, каково расстояние между молекулами в газе и твёрдых веществах?

Д: В газе между молекулами очень большое расстояние, а в твёрдых телах расстояние между молекулами меньше размеров молекулы.

У: И что из этого следует?

Д: Т.е. силы упругости в твёрдых телах больше, чем в газах?

У: Совершенно верно. А так как распространение звука зависит от упругости среды, то и скорость его в твёрдых телах будет больше, чем в газах. Поэтому когда вы жуёте сухарь, вы слышите как он крошится у вас на зубах, но до других людей этот звук дойдёт лишь через некоторое время, и разумеется с потерями, т.е. он будет гораздо тише. Теперь нам осталось только выяснить чему равна скорость звука в различных средах. Впервые скорость звука в воздухе была измерена в 1636 году французским учёным М. Мерсенном. При температуре 200 С она составляла 343 м/с. Приближённо считается, что скорость звука в воздухе равна 300 м/с. Но на этом эксперименте люди не остановились, ведь скорость распространения звука зависит от упругости среды, а следовательно необходимо узнать, какова скорость звука в воде. И вот, в 1826 году, швейцарские учёные Ж. Колладон и Я. Штурм измерили скорость звука в воде. При температуре 80 С она составила 1440 м/с. Протекание этих экспериментов довольно подробно описано в ваших учебниках в § 25. в твёрдых телах скорость звука ещё больше, чем в жидкостях. Естественно у вас возникает вопрос: а зачем нам знать эти цифры?

Д: Действительно, они же не имеют никакой ценности для реальной жизни.

У: Неужели. Не спешите утверждать, послушайте отрывок из произведения Жуль Верна «Путешествие к центру Земли». Во время подземных странствий два путешественника — профессор и его племянник потеряли друг друга. Когда, наконец, им удалось издали обменяться голосами, между ними произошёл такой разговор:

«- Дядя! — крикнул я (рассказ ведёт племянник)

— Что дитя моё? — услышал я спустя некоторое время.

— Прежде всего, как далеко мы друг от друга?

— Это не трудно узнать. Ваш хронометр цел?

— Да.

— Возьмите его в руки. Произнесите моё имя и точно заметьте секунду, когда начнёте говорить. Я повторю имя, как только звук дойдёт до меня, и вы тоже заметьте момент, когда до вас дойдёт мой ответ. Тогда половина времени прошедшего между сигналами и ответом, покажет, сколько секунд употребляет звук, чтобы дойти до тебя. Ты готов?

— Да.

— Внимание! Я произношу твоё имя.

Я приложил ухо к стене. Как только слово «Аксель» достигло моего слуха, я немедленно повторил его и стал ждать.

— Сорок секунд, — сказал дядя, -следовательно, звук дошёл до меня в 20 секунд. А так как звук проходит в секунду одну треть километра, то это отвечает расстоянию почти в семь километров.»

Такой пример использования звука в качестве мерной ленты предлагает Жуль Верн. Теперь вы уверены, что скорость звука вам знать не надо?

Д: Теперь понятно, что эти знания нам могут пригодиться в жизни.

У: Хорошо, тогда следующий вопрос: кто из вас знает, что такое радио?

Д: Все знают.

У: Тогда послушайте следующую историю. Два приятеля решили послушать один концерт. Первый купил билет в концертный зал, а второй решил послушать прямую трансляцию этого концерта по радио у себя дома. Кто раньше услышит первые звуки концерта: человек, сидящий в зале, или человек слушающий радио у себя дома, за несколько километров от концертного зала?

Д: Конечно первым услышит звуки оркестра человек, сидящий в зале, потому, что звук преодолевает меньшее расстояние.

У: Про расстояние вы, верно, заметили, но в целом ответ не верен. Дело в том, что кроме звуковых волн, существуют электромагнитные волны, которые мы будем изучать позднее. Эти электромагнитные волны и передают звук на радио. К чему я упоминаю об этих волнах, скорость их распространения в воздухе 300000 км/с, что в миллион раз больше скорости звука. Поэтому, человек слушающий радио у себя дома, услышит первые звуки концерта раньше на доли секунды.

Теперь познакомимся ещё с одним понятием. Вернёмся к началу урока, когда я вам играл на музыкальном инструменте. Рассмотрим его подробнее. Итак, это скрипка. В сущности это деревянный корпус, на который натянуты струны. Мы знаем, что звук возбуждается за счёт колебания струн, тогда зачем нужен корпус?

Д: Для красоты, а на что иначе натягивать струны.

У: Давайте разберёмся в этом вопросе. Итак, у нас есть две струны. Одна натянута на скрипке, другая растянута на столе. Возбуждаем колебания в струне, натянутой на столе. Вы слышите её звучание?

Д: Нет.

У: А теперь возбуждаем колебания в струне, натянутой на скрипке. Вы слышите её звук?

Д: Да.

У: Почему же такое происходит?

Д: Не знаем.

У: Давайте разберёмся. Что происходит со звуком.

Д: Громкость увеличивается.

У: А почему?

Д: Потому, что выросла амплитуда колебаний.

У: Совершенно верно. А произошло это потому, что совпали частота колебаний струны и частота колебаний воздуха в междековом пространстве. Такое явление называется резонансом.

Резонанс -это явление резкого увеличения амплитуды колебаний при совпадении частоты внешней вынуждающей силы и собственной частоты колебаний тела. Резонанс очень полезен, при помощи резонанса можно сдвигать с места достаточно массивные тела, не затрачивая большой энергии, что часто используется в промышленности. Но также резонанс может приносить вред. Так, например, 2 марта 1907 года утром в день предстоявшего заседания Государственной думы обвалился потолок в главном зале Таврического дворца. Причина — работа небольшого электровентилятора на чердаке, включённого для проветривания зала перед заседанием Думы. Для защиты колебательных систем от нежелательного резонанса используют демпферы, это устройства, которые колеблются с частотой, неравной частоте колебаний системы. Например, рисунок на колёсах автомобиля являются демпфером, т.к. воздух из-за неровности поверхности колеса колеблется с разной частотой. Но иногда, явление резонанса проявляется и при движении автомобиля по дороге, особенно на мокрой дороге или в гололед, когда частота колебаний воздуха совпадает с частотой колебаний льда, в результате чего машина отрывается от поверхности дороги.

4.Подведение итогов.

У: Итак, что мы сегодня узнали на уроке?

Д: Сегодня на уроке мы узнали, что скорость распространения звука зависит от упругости среды, что скорость распространения звука в воздухе равна 300 м/с, а также познакомились с явлением резонанса.

У: А что такое резонанс?

Д: Резонанс — это явление резкого увеличения амплитуды колебаний при совпадении частоты вынуждающей силы и собственной частоты колебаний тела.

У: Правильно. Запишите домашнее задание §25 и ответьте на вопросы в конце параграфа. На этом наш урок окончен.

Вопросы для закрепления материала:

1. Какова скорость звука в воздухе?

2. Какова скорость звука в вакууме?

3. От чего зависит скорость звука в среде?

4. Что такое резонанс?

Урок № 4. Особенности восприятия звуковых волн человеком.

Цель урока: ученик должен знать, какие частоты воспринимает ухо человека.

Задачи.

Образовательная: раскрыть диапазон частот воспринимаемых человеком.

Воспитательная: формирование целостности научной картины мира на основе межпредметных связей.

Развивающая: развитие логического мышления при анализе эксперимента.

План.

1. Организационный момент.

2. Актуализация старых знаний.

3. Изучение нового материала.

4. Подведение итогов. Домашнее задание.

Ход урока.

1. Организационный момент.

В начале урока звучит музыка.

У: Сегодня на уроке мы снова занимаемся изучением звуковых колебаний. Что мы узнали о звуке?

2. Актуализация старых знаний.

Д: Звук — это упругая волна, способная вызывать у человека слуховые ощущения. Источником звука является любое колеблющееся тело. Звук имеет следующие характеристики: частота, тембр, гармоники, громкость, интенсивность.

Частота — это количество колебаний, совершённых в единицу времени.

Тембр — это музыкальная окраска звука, зависящая от числа гармоник.

Гармоники — это колебания, частота которых кратна основной частоте колебаний.

Интенсивность — это энергия звуковой волны, прошедшей за единицу времени через единицу площади некоторой поверхности, перпендикулярной направлению распространения волны.

Также звук может резонировать.

Резонанс — это явление резкого возрастания амплитуды колебаний при совпадении частоты вынуждающей силы и собственной частоты колебаний тела.

3. Изучение нового материала.

У: Правильно. Сегодня мы узнаем ещё немного о звуке. Начнём с определения источника звука. Повторите его.

Д: Источником звука является любое колеблющееся тело.

У: Хорошо. Тогда проведём эксперимент. Перед вами линейка, зажатая в тисках. Возбуждаем колебания, вы их слышите?

Д: Нет.

У: А теперь перед вами математический маятник. Возбуждаем колебания маятника. Сейчас вы слышите колебания?

Д: Нет. Значит не каждое колеблющееся тело является источником звука.

У: Но почему?

Д: Наверное, колебания очень тихие, нужен резонатор для увеличения амплитуды колебаний.

У: Здесь дело не в амплитуде колебаний. Давайте рассчитаем амплитуду колебаний математического маятника. Что для этого надо сделать?

Д: Надо засечь по часам, сколько времени затрачивает маятник, чтобы совершить одно полное колебание, это будет период колебаний, а затем найти частоту по формуле

=1/T

У: А можно воспользоваться формулой для частоты математического маятника

=1/2l/g

где =3.14, g= 9.8 м/с2 , а l=10 см, в нашем случае. Тогда получаем =1.6 Гц. Почему же мы не слышим колебания с такой малой частотой. Дело в том, что человеческое ухо может воспринимать только звуки с частотами от 16 до 20000 Гц. Этот диапазон называется диапазоном слуховых частот. А теперь давайте уточним определение источника звука: источником звука является любое колеблющееся тело с частотой из диапазона слуховых частот. Откройте свои учебники на странице 62, где представлена шкала частот, слышимых человеком и различными животными. Как вы видите, наиболее широким диапазоном слышимых частот обладает дельфин от 40 до 200000 Гц. Но это не всё. Прежде всего, у каждого человека свой диапазон воспринимаемых частот. В большинстве случаев диапазон включает частоты от 20 до 16000 Гц, остальные частоты доставляют человеку ощущение дискомфорта, а иногда и болевые ощущения. Так, например, установлено, что звуки высокой частоты приводят к утомлению организма, а длительное воздействие таких звуков может привести к ухудшению слуха. Дело в том, что воздействие на барабанную перепонку складывается из частоты колебаний, громкости и интенсивности звука. Интенсивность звука возрастает при увеличении частоты колебаний, а это влияет на восприимчивость барабанной перепонки. При длительном воздействии звуков высокой частоты, барабанная перепонка становится менее гибкой и поэтому неспособна воспринимать тихие звуки.

Способность человека воспринимать определённые звуки используется в музыке. Например, классическая музыка оказывает положительное воздействие на человека: музыка Вивальди благоприятна для беременных, музыка Баха способствует размышлениям.

Но, кроме звуков, которые человеческое ухо способно воспринимать, есть звуки, недоступные нашему восприятию. Если частота звука превышает 20000 Гц, то мы имеем дело с ультразвуком, если же частота меньше 16 Гц, то мы имеем дело с инфразвуком. Мы не можем услышать звуки с такой частотой, но они оказывают воздействие на наш организм. Например в 30-х годах 20 века в одном лондонском театре готовилась пьеса, действие которой по ходу спектакля переносилось в прошлое. Режиссёр хотел подчеркнуть необычайную обстановку оригинальным сценическим эффектом. Физик Роберт Вуд посоветовал ему использовать инфразвук, который при достаточной силе даёт ощущение «таинственности». Вуд изготовил трубу, воспроизводившую инфразвук, которую опробовали на репетиции. «Последовал неожиданный эффект, вроде того, который предшествует землетрясению: задребезжали окна, зазвенели стеклянные люстры. Всё старинное здание начало дрожать, ужас прокатился по залу. Пришли в смятение даже жители окрестных домов. »

Инфразвук оказывает влияния на внутренние органы человека, т.к. они очень чувствительны к колебаниям, длительное воздействие этих звуков может привести к ухудшению самочувствия.

Ультразвук тоже не воспринимается человеческим ухом, но улавливаются телом человека. Ультразвук широко применяется в промышленности, в частности при помощи ультразвука проверяется прочность металла.

4.Подведение итогов.

У: Давайте подведём итоги сегодняшнего урока. Что нового мы сегодня узнали?

Д: Сегодня мы узнали, что человеческое ухо воспринимает колебания с частотой от 16 до 20000 Гц. Колебания с частотой меньше 16 Гц называются инфразвуком, с частотой больше 20000 Гц — ультразвуком.

У: Запишите домашнее задание § 27 и дайте ответ на вопросы в конце параграфа.

Урок №5. Отражение звука. Эхо.

Цель: ученики должны знать, что такое эхо.

Задачи:

Образовательная: раскрыть сущность эхо.

Воспитательная: эстетическое образование через использование музыкального оформления.

План урока.

1. Организационный момент. (2 мин)

2. Актуализация старых знаний. (5 мин)

3. Изучение нового материала. (28 мин)

4. Подведение итогов. Домашнее задание. (5 мин)

Ход урока.

1. Организационный момент.

У: Здравствуйте, присаживайтесь. Продолжается наше путешествие по миру звука. Что мы уже успели узнать о звуковых волнах?

2. Актуализация старых знаний.

Д: Мы узнали, что звук — это упругая волна, способная вызывать звуковые ощущения, источником звука может быть тело, колеблющееся с частотой из слышимого диапазона частот. Этот диапазон включает частоты от 16 до 20000 Гц. Также мы выяснили, что частота колебаний зависит от размеров источника, громкость звука зависит от амплитуды колебаний. Также мы узнали, что человек по разному реагирует на звуки различной частоты, громкости и интенсивности, так например звуки высокой частоты, громкости и интенсивности вызывают чувство дискомфорта и могут доставлять боль, а звуки средних частот могут улучшить настроение, помогают расслабиться.

У: Надо же, как много мы узнали о звуке. А теперь послушаем немного музыки.

3. Изучение нового материала.

(Звучит музыка)

У: Сейчас вы прослушали музыкальный фрагмент. Вы хорошо его слышали?

Д: Да.

У: А сейчас.

(учитель отворачивается к доске и снова играет тот же самый фрагмент)

Д: Сейчас тоже слышали хорошо.

У: Но почему? Я же повернулся к вам спиной, и звуковая волна двигалась от вас к доске.

Д: Наверное звук, дойдя до доски ударился в неё, а затем отрикошетил к нам.

У: Совершено верно. Такое явление называется отражением. Итак, вы слышали музыку благодаря тому, что звук способен отражаться от препятствий. Даже когда я играю, стоя к вам лицом, вы слышите не одну звуковую волну, а несколько, (снова звучит музыка)

Сейчас вы слышали звуки не только идущие от скрипки, но и звуки, отражённые от потолка, пола, стен нашего кабинета, и даже от вас.

Д: А разве звук и от нас тоже отражается?

У: Да, но очень плохо. Вспомните, вы были на больших праздниках, среди толпы народа?

Д: Да, конечно были. Приходится очень громко говорить, чтобы тебя услышали.

У: А почему так происходит, никогда не задумывались?

Д: Нет.

У: Такое происходит потому, что человек, благодаря упругости своего организма очень хорошо поглощает звуковые колебания, поэтому на концертах используют аппаратуру для усиления звука.

Д: А как усиливали звук раньше, когда не было усилителей и динамиков?

У: Дело в том, что раньше залы были меньших размеров, и зрителей собиралось не так много, но были и исключения. Таким исключением является оперный театр в Италии — Ласкала. Он вмещает несколько тысяч человек, притом певцы и музыканты, выступающие в нём, не прибегают к современной технике и дополнительному усилению звука.

Д: Почему, разве зрители их слышат?

У: Слышат, и даже очень хорошо, это лучший оперный театр в мире, до сих пор архитекторы не могут создать подобного шедевра. Дело в том, что при постройке этого театра учитывалось способность звука отражаться. Поэтому постройка велась с учётом того, чтобы в каждой точке зала можно было одинаково хорошо слышать музыку.

Д: Да ведь это требует огромных усилий и множество расчётов.

У: Совершенно верно. При построении любого концертного зала проводят массу расчётов, учитывая размеры зала, материал обшивки стен, кресел, количество зрителей.

Д: А причём тут материал обшивки кресел и стен?

У: Притом, что отражение звука зависит от характеристик вещества, например его плотности.

Д: А, понятно. Т.е. всё зависит от упругости материала, более упругий материал лучше отражает звук.

У: Совершенно верно. Как тебе пришла в голову такая мысль?

Д: Да в боевиках постоянно вместо глушителя используют подушку.

У: Да, очень интересный пример. Действительно, мягкие, вещи, обладающие слабой упругостью хорошо поглощают звук. Вспомните свой дом. Лето на дворе, и вы как всегда белите стены. Сняли со стен ковры, убрали паласы, вынесли мягкую мебель.

Д: комната большая, даже эхо есть немного.

У: Слышно эхо? А что такое эхо?

Д: Ну то когда говоришь слово и через некоторое время слышишь его.

У: Т.е. эхо — это звук, отраженный от препятствия и вернувшийся к источнику звука.

Д: Значит, эхо возникает благодаря отражению звука? Здорово. А когда люди кричат в лесу, звук от чего отражается, от деревьев что ли?

У: Совершенно верно, в горах от самих гор, в колодце от воды и стенок колодца, в лесу от деревьев. Отражение звука часто применяется человеком в промышленности, судостроении, мореходстве. Самое распространенное применение отражения звука — это эхолокация. Корабль, идущий по морю посылает звуковой сигнал вглубь моря и улавливает его отражение. Учитывая скорость звука и время, за которое он вернулся, определяет глубину моря. Таким же способом находят подводные скалы, затонувшие суда и т.п.

4. Подведение итогов.

У: Итак, наш урок подходит к завершению. Давайте вспомним, что нового мы сегодня узнали о звуке.

Д: Мы узнали, что звук способен отражаться от препятствий, чем более упругий материал, ем сильнее он отражает звук, благодаря отражению звука мы можем слышать эхо. На способности звука отражаться от препятствий основана эхолокация.

У: Запишите домашнее задание: § 26. На этом наш урок закончен. До свиданья.

Урок №6.Урок обобщения изученного материала.

Цель: ученики должны обобщить изученный материал.

Задачи:

Образовательная: обобщить знания учащихся о звуковых волнах.

Воспитательная: эстетическое образование через использование музыкального оформления.

План урока.

1. Организационный момент. (2 мин)

2. Обобщение материала по теме «Звуковые колебания и волны». (35мин)

3. Домашнее задание. (3 мин)

Ход урока.

1. Организационный момент.

У: Здравствуйте, присаживайтесь. Сегодня мы завершаем изучение звуковых волн. Поэтому сегодняшний урок будет посвящен обобщению изученного материала. Делаем мы это в связи с тем, что на следующем уроке будет проведена контрольная работа для проверки ваших знаний по этой теме. Приступим к обобщению наших знаний.

2. Обобщение материала по теме «Звуковые колебания и волны».

(звучит небольшой музыкальный фрагмент)

У: Что вы сейчас слышали?

Д: Мы слышали звук, а звук — это упругая продольная волна, способная вызывать слуховые ощущения.

У: А что может являться источником звука?

Д: Любое тело, колеблющееся с частотой, входящей в диапазон слышимости, который, для человека, включает частоты от 16 до 20000 Гц.

У: Какие характеристики имеет звук?

Д: Частота — число колебаний в единицу времени, амплитуда -максимальное отклонение колеблющегося тела от положения равновесия, причём от амплитуды колебаний зависит громкость звука, чем больше амплитуда, тем громче звук. Громкость звука измеряется в сонах. Интенсивность звука — энергия звуковой волны, прошедшей за единицу времени через единицу площади некоторой поверхности, перпендикулярной направлению распространения волны. Скорость распространения звука зависит от упругости среды. Кроме этого звук способен отражаться от препятствий.

У: Хорошо. Остановимся подробнее на отражении звука. Вы были в горах, или в лесу?

Д: Да.

У: Замечали, что в горах эхо разнообразнее, чем в лесу?

Д: Да, но в горах оно реже встречается.

У: Верно, а почему?

Д: Не знаем.

У: Дело в том, что угол отражения звукового луча, линии, вдоль которой распространяется звуковая волна, равен углу падения. Допустим, вы в горах и звук отражается от преграды, которая выше вашего местоположения, тогда звуковая волна, отразится от препятствия вверх и не достигнет вашего уха. В лесу же такое не происходит потому, что большинство преград отражают звук на уровне ваших ушей. Отражение звука использовали строители замков и дворцов, чтобы придать строению таинственность. Для этого они делали в стене трубу, по которой звук с улицы поступал в комнату. В комнате, возле стены, в том месте, где звуковые лучи пересекались, устанавливали статую и у отдыхающих в комнате создавалось впечатление, что статуя разговаривает, естественно они в этот момент не верили собственным ушам.

Кстати об ушах. Почему мы слышим именно ушами?

Д: Потому, что внутри ушной раковины находится барабанная перепонка, которая колеблется с той же частотой, что и звуковая волна. Наш мозг реагирует на эти колебания и определяет, что мы слышим.

У: Хорошо. Тогда ответьте мне на такой вопрос: вы сможете определить, где находится источник звука?

Д: Конечно сможем.

У: Даже с закрытыми глазами?

Д: Да.

У: Докажите, мне нужен один доброволец. (Желающий выходит к доске, ему завязывают глаза, учитель хлопает в ладоши справа от ученика)

Ты слышал, откуда донёсся звук?

Д: Да, хлопали в ладоши справа от меня.

У: Хорошо. (учитель становится сзади от ученика и снова хлопает в ладоши) А теперь?

Д: Хлопали в ладоши спереди от меня.

У: Сними повязку.

Д: А как вы оказались сзади?

У: Я тут и стоял, и хлопал в ладоши, стоя за твоей спиной.

Д: Почему?

У: Дело в том, что трудно определить спереди или сзади от тебя раздаётся звук, но легко определить справа или слева источник звука. Всё дело в расположении ушей, они у нас расположены сбоку, поэтому мы легко можем определить справа или слева источник звука, когда же звук доносится спереди или сзади мы поворачиваем голову в сторону распространения звуковой волны, чтобы определить положение источника звука.

Кстати о звуке и его источниках. Что делать, если громкость звука очень мала и его почти не слышно?

Д: Для этого музыкальные инструменты подключают к усилителям, или усиливают звук при помощи резонаторов. Резонатором является корпус музыкального инструмента. Усиление звука происходит благодаря явлению резонанса. Резонанс — это резкое увеличение амплитуды колебаний при совпадении частоты колебаний внешней вынуждающей силы и собственной частоты колебаний тела. А если увеличивается амплитуда, то увеличивается и громкость звука.

У: Кстати насчёт громкости и интенсивности звука. Эти две характеристики влияют на уровень шума. Работа в течение длительного времени при шуме, превышающем 90-100 дБ, человек начинает терять слух, а дети, живущие в шумных районах и занимающиеся в классах с окнами на шумные улицы, менее дисциплинированны.

Сегодня вы упоминали о звуковом диапазоне. Он включает в себя звуки с частотами от 16 до 20000 Гц. А как называются звуки с другими частотами?

Д: Звуки с частотой выше 20000 Гц называются ультразвуком, звук с частотой меньше 16 Гц — инфразвуком.

У: Послушайте информацию о воздействии этих звуков. Инфразвуки обладают усыпляющим эффектом, что особенно опасно для водителей и пассажиров автомобилей и поездов. Звуки высокой частоты возбуждают человека и могут быть опасными. Звук, издаваемый сиреной с частотой свыше 100 кГц губителен для мелких животных и различных насекомых. Ультразвук используется в медицине для разрушения камней в почках, стерилизации оборудования: он способен убивать микроорганизмы и приостанавливать их развитие.

3. Подведение итогов. Домашнее задание.

У: Наш урок подходит к концу. Сегодня мы с вами обобщили изученный ранее материал по теме «Звуковые колебания и волны». Дома вам следует повторить материал, изученный нами в течение предыдущих уроков.

3.3 Результаты педагогического эксперимента

После изучения материала было проведено две контрольные работы на 15 минут, в форме физического диктанта. Первая через неделю после последнего урока, вторая через месяц после первой контрольной работы, для проверки долговременной памяти. Ниже представлены тексты контрольных работ и их результаты.

Контрольная работа №1.

1. Что такое звук?

2. Что называется источником звука? Приведите примеры.

3. От чего зависит частота колебаний источника звука?

4. Что такое амплитуда колебаний?

5. От чего зависит громкость звука? В каких единицах измеряется?

6. Что такое гармоники?

7. Какова скорость распространения звука в воздухе?

8. Какова скорость распространения звука в воде?

9. Почему после удара молоточком по камертону его звук постепенно становится всё тише и тише?

10. Что такое резонанс?

11. Каков диапазон слышимых человеком частот?

12. Какие звуки называют инфразвуком, какое воздействие они оказывают на человека?

13. Какие звуки называют ультразвуком, какое воздействие они оказывают на человека?

14. Интенсивность звука: определение, единицы измерения.

15. Какой уровень интенсивности является болевым порогом для человека?

Контрольная работа №2.

1. Что такое звук?

2. Будет ли звук распространяться в космосе?

3. Что такое частота колебаний?

4. Чем определяется тембральная окраска звука?

5. Чем определяется высота музыкального звука?

6. От чего зависит громкость звука, в каких единицах измеряется?

7. Звуки каких частот входят в диапазон частот, слышимых человеком?

8. Интенсивность звука: определение, единицы измерения.

9. Что называется инфразвуком, какое воздействие он оказывает на человека?

10. Почему комар пищит, а пчела жужжит?

11. Что называется ультразвуком? Как ультразвук используется человеком?

12. При каком уровне интенсивности человек начинает испытывать дискомфорт?

13. Какова скорость распространения звука в воздухе?

14. От чего зависит частота колебаний источника звука?

15. Что такое гармоники?

Результаты первой контрольной работы были следующими: в экспериментальном классе 76% получили оценку отлично, 30% — написали работу на оценку хорошо, 4% -удовлетворительно, в контрольном классе эти цифры составили 66%, 26% и 8% соответственно.

Результаты второй контрольной следующие: в экспериментальном классе 66% написали работу на отлично, 26% на оценку хорошо, 8% на оценку удовлетворительно, в контрольном классе 56%, 30% и 14% соответственно.

Эти результаты показывают, что данная методика действительно эффективна, а следовательно её или её элементы можно использовать при изучении темы «Звуковые колебания и волны».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные итоги дипломной работы:

1. Изучен физический и методический материал по теории колебаний и волн: теория свободных, вынужденных колебаний, уравнение колебаний струны, уравнение колебаний скрипичной струны.

2. Обоснованна целесообразность осуществления межпредметных связей при преподавании физики, изучены типы межпредметных связей, рассмотрена их сущность.

3. Разработана методика использования средств музыки в преподавании физики, составлены конспекты уроков по теме «Колебания и волны» для 8-х классов средней общеобразовательной школы.

4. Проведён педагогический эксперимент в школе №18 г. Абакана на двух восьмых классах, один экспериментальный, второй — контрольный.

5. Проверена эффективность методики, основанной на осуществлении межпредметной связи физики и музыки. Данная методика действительно эффективна, т.к. результаты контрольных работ экспериментального класса выше, чем результаты учеников контрольного класса.

В будущем мы планируем более широко рассмотреть идею использования средств музыки в преподавании физики, а именно разработать конспекты уроков для десятых классов, разработать факультатив с использованием межпредметных связей физики и музыки.

ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Алмазов Л.Г. Варламов А.А. Удивительная физика. -М.: Наука Главная редакция физ-мат. лит., 1988. -180 с.

2. Балашов М.М. Методические рекомендации к преподаванию физики в 7-8 классах средней школы: кн. для учителя. -М.: Просвещение, 1991. -156 с.

3. Балашов М.М. Механика за 70 уроков: кн. для учителя. -М.: Просвещение, 1993. -165 с.

4. Бишоп Р. Колебания./ пер. с англ. Диментберга М.Ф. и Фролова К.В./ под ред. Пановко Я.Г. -М.: Наука, 1979. -163 с.

5. Боярчук В.Ф. Межпредметные связи в процессе обучения. -Вологда: ЗГПИ, 1988. -132 с.

6. Вольштейн С.Л. Методы физической науки в школе: пособие для учителя. -Минск, 1988. -156 с.

7. Голин Г.М. Вопросы методологии физики в курсе средней школы. -М.: Просвещение, 1987. -166 с.

8. Гриффин Д. Эхо в жизни людей и животных./ пер. с англ. Виллер К.Э./под ред. Исаковича М.А. -М.: физматгиз, 1961. -146 с.

9. Ефименко В.Ф. Методические вопросы школьного курса физики. -М.: Педагогика, 1976. -150 с.

10. Зверев И.Д. Максимова В.Н. Межпредметные связи в современной школе. -М.: Педагогика, 1981. -164 с.

11. Клюкин И.И. Удивительный мир звука. -Л.: Судостроение, 1986. -142 с.

12. Кок У. Звуковые и световые волны./ пер. с англ. Захарова/ под ред. Мицкевича Н.В. -М.: Мир, 1966. -135 с.

13. Компвиллем У.Х. Эхо в физике. -М.: Знание, 1981. -153 с.

14. Конёков Ю.К. Нелинейные уравнения математической физики. -М.: РОУ, 1992. -164 с.

15. Красильников В.А. Звуковые и ультразвуковые волны в воздухе, в воде и твёрдых телах. -М.: физматгиз, 1960. -130 с.

16. Лепендин Л.Ф. Акустика. -М.: Высш. шк., 1978. -250.

17. Лошкарёва Н.А. Межпредметные связи как средство совершенствования учебно-воспитательного процесса. -М.: МГПИ им. В.И. Ленина, 1981. -148 с.

18. Лэмб Г. Динамическая теория звука./ пер. с англ. Агеевой Н.С./ под ред. Исааковича М.А. -М.: физматгиз., 1960 -256 с.

19. Майер В.В. Простые опыты со струями и звуком. -М.: Наука Главная редакция физ-мат. лит., 1986. -167 с.

20. Максимова В.Н. Межпредметные связи в учебно-воспитательном процессе в современной школы. -М.: Просвещение, 1987. -169 с.

21. Малов Н.Н. Основы теории колебаний. -М.: Просвещение, 1971. -148 с.

22. Малов Н.Н. Введение в теорию колебаний. -М.: Просвещение, 1967. -164 с.

23. Малобродский Д.И. Хипенякова Л.С. Преподавание механики в 9 классе. -М.: Просвещение, 1973. -78 с.

24. Маркова Н.М. Изучение ультразвука в курсе физики в средней школе./ под ред. Ноздрёва В.Ф. -М.: Просвещение, 1982. -165 с.

25. Методика преподавания физики в средней школе. Частные вопросы./под ред. Каменецкого С.Е. -М.: Просвещение, 1987. -256 с.

26. Методические рекомендации по физике./ под ред. Сомойленко П.И. -М.: Высш. шк.,1990. -184 с.

27. Межпредметные связи курса физики в средней школе./ под ред. Дика Ю.И., Турышевой И.К. -М.: Просвещение, 1987. -168 с.

28. Межпредметные связи и формы их осуществления. -Горно-Алтайск: Г.-АГПИ, 1975. -98 с.

29. Орехов В.П. Колебания и волны в курсе физики средней школы. -М.: Просвещение, 1977. -115 с.

30. Пейн Г. Физика колебаний и волн./ пер. с англ. Колоколова А.А./под ред. Скроцкого Г.В. -М.: Мир, 1979. -237 с.

31. Перельман Я.И. Занимательная физика. -М.: ТРИАДА-ЛИТЕРА, 1994. -кн. 1 -196 с., кн. 2 -178 с.

32. Пиппард А. Физика колебаний./пер. с англ. Соболева Д.А. и Трифонова В.Ф./под ред. Матвеева А.Н. -М.: Высш. шк., 1985. -235 с.

33. Резников Л.И. Методика преподавания физики в средней школе. Механика. -М.: Просвещение, 1974. -97 с.

34. Федорец Г.Ф. Межпредметные связи в процессе обучения. -Л.: ЛГПИ им. А.И. Герцена, 1983. -125 с.

35. Шодиев Д.Ш. Мысленный эксперимент в преподавании физики. -М.: Просвещение, 1987. -95 с.

36. Эвенчик Э.Е. Преподавание механики в курсе средней школы. -М.: Просвещение, 1971. -88 с.

37. Ахлебина Т.В. Ахлебин А.К. Шамова Т.И. Межпредметная интеграция и её роль в повышении качества знаний и развитии школьников.// Наука и школа. -1998. -№5. -с. 22-27.

Размещено на